罐体承载式液罐车罐体结构强度的有限元分析

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1、第１３卷第３期扬州大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．３２０１０年８月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ａｕｇ．２０１０罐体承载式液罐车罐体结构强度的有限元分析瞿绘军１，２，李红１，刘洪庆２，朱安亮１（１．扬州大学机械工程学院，江苏扬州２２５１２７；２．扬州中集通华专用车有限公司，江苏扬州２２５００９）摘要：通过ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对某罐体承载式半挂液罐车罐体进行静态模型分析，采用了ｓｈｅｌｌ１８１板壳单元对罐体进行合理的网格划分，根据实际工况，对罐体的承载进行力学模型简化．模拟半挂液

2、罐车在行驶过程中的４种偶然极限工况的罐体应力应变状态，得到各结构部件在各种工况下的应力分布与位移变形图．通过对计算结果的分析，找出结构不合理的地方，提出改进意见，进而为产品的优化设计提供理论依据．关键词：罐体承载式；半挂液罐车；罐体强度；有限元分析中图分类号：Ｕ４６３．８２９文献标志码：Ａ文章编号：１００７８２４Ｘ（２０１０）０３００７４０５世界公路货运量不断增长，各国公路运输法规、消防法规及环境保护法、食品卫生法等日趋完善，［１］对现代公路液货运输的效率、质量及安全性都提出了更高的要求．液罐车作为石油化工产品、化工原料、奶制品、食品饮料等运输的专用车辆，与普

3、通汽车比较，它能充分发挥车辆运输效率，降低运输［２］成本，缩短装卸货物时间，减少劳动消耗和货物损失，特别是能够保持货物的质量和实用价值，在我［３］国的汽车交通运输事业中得到广泛应用，已经成为今后运输业发展的主要方向．然而，液罐车的罐体和车架结构较为复杂，用经典力学方法计算和校核其强度和刚度，须进行很多简化和假设，计算结果误差较大，难以真实、准确地反映实际状况，设计出的车辆整体笨重，部分区域结构不合理，且存在［４］一定的盲目性．因此，对液罐车的结构强度进行有限元分析显得十分必要．ＭＵＮＣＫ等曾对无中梁铁路罐车利用强度安全系数的概念和归一化方法确定一个综合的目标函

4、数，采用响应面法将牵枕结构的优化问题表示成一个参数模型，提出用加权最小二乘法来拟合响应面函数以提高优化精度，进而［５］对牵枕结构进行全局优化．ＪＵ等也曾基于加速和减速情形对车辆的底架进行有限元分析．但是对椭圆矩形截面的罐体承载式薄壁罐车的分析及研究鲜有涉及．在本文中，笔者拟通过几种偶然极限工况对某罐体承载式半挂液罐车罐体模型进行有限元分析，从而获得罐体在相应工况下的应力应变分布，寻找罐体的薄弱位置．１力学模型的建立１１结构分析罐体承载式半挂液罐车主要组成部件如图１所示，包括罐体（由筒体、封头、人孔、接管和装卸口［６］等构成的封闭容器）、保温材料、外蒙板、行走

5、机构、牵引支座、罐顶走台、支撑装置、后防护装置、侧防护装置、悬挂、车轴、钢圈、轮胎、制动系统、灯具系统等．在车辆行驶过程中，半挂液罐车通过牵引支座形成前部的接地支撑，通过焊接在行走机构上的悬挂及连接在悬挂上的车轴、轮胎等形成后部的接地支撑．本半挂液罐车的罐体是承受载荷的主体部件，行走机构是承受载荷的辅助部件，保温材料、外蒙板、罐顶走台、支撑装置等属于特定的专项附件，对罐体的结构强度无重大影响．收稿日期：２００９１１１９基金项目：国家科技部创新基金资助项目（０７Ｃ２６１４３２０１３７５）联系人，Ｅｍａｉｌ：ｈｕｉｊｕｎ．ｑｕ＠ｃｉｍｃ．ｃｏｍ第３期瞿绘军等：

6、罐体承载式液罐车罐体结构强度的有限元分析７５１２模型的建立与简化罐体承载式半挂液罐车的罐体总长９７５０ｍｍ，总宽２２８０ｍｍ，总高１５４５ｍｍ，罐体的筒壁、封头、防波板材料均为不锈钢３０４，抗拉强度为５２０ＭＰａ，屈服强度为２０５ＭＰａ，伸长率为４０％，弹性模量为１９４ＧＰａ，泊松比为０．３；加强圈、支座材料均为碳钢Ｑ３４５，抗拉强度为４７０～６３０ＭＰａ，屈服强１．罐体；２．保温材料；３．外蒙板；４．罐顶走台；５．牵引销板；６．行走机构；度为３４５ＭＰａ，伸长率为２１％，弹７．支撑装置；８．侧防护装置；９．悬挂；１０．轮胎；１１．钢圈；性模量为２０６ＧＰａ

7、，泊松比为０．３．１２．车轴；１３．制动系统；１４．后防护装置；１５．灯具系统；１６．爬梯１）模型的简化．本研究的罐图１罐体承载式半挂液罐车总体结构示意图体是一个复杂的焊接、装配结合犉犻犵．１犛犮犺犲犿犪狋犻犮犱犻犪犵狉犪犿狅犳狋犺犲犵犲狀犲狉犪犾狊狋狉狌犮狋狌狉犲狅犳狋犺犲犾犻狇狌犻犱狋犪狀犽狊犲犿犻狋狉犪犻犾犲狉体，须对模型进行如下简化：①不考虑液体流动的影响，未采用流构耦合计算；②焊接和螺纹连接等连接对力和力矩传递可靠；③加工和装配中残余应力等制造因素的影响被忽略；④承载区的载荷均布；⑤结构上的小圆角等工艺因素不考虑．［７］２）单元的选择．在真实反映该

8、罐体主要力学特性的前提下，尽可能地选取