浅析液罐车罐体有限元分析

浅析液罐车罐体有限元分析

张法春

中集车辆（江门市）有限公司529144

摘要：罐体车是液体运输最安全的方式。由于罐体车的不断改进以及其性能的不断提升，罐体车逐渐成为货主选择的运输方式之一。本文根据某易燃液体罐式运输半挂车的二维图纸完成整车三维模型的建立，并在三维模型的基础上完成有限元分析及模态分析，找出结构薄弱位置为后续车型局部构造的改进提供参考意见。

关键词：罐体车；有限元分析；静力分析

引言

罐体车是用来运输液体、气体及粉状货物的车辆。这些货物在罐体内，罐体是这种车型的一种特殊形式的车体。

一、罐体车的发展及其应用

1.1我国从1958年由大连机车车辆厂试制出第一辆无底架轻油罐车以来，至今已有40年的历史.与国外罐车相比，我国罐车仍存在较大的差距主要表现在以下几个方面：

（1）罐车容积小，载重量小。

（2）罐车自重系数大，运输效率低

（3）罐车底架结构落后。

（4）钢材强度低。

目前罐体车正向大型化发展，采用了一些新技术：

（1）新型转向架的应用。

（2）采用无底架结构。

（3）采用新型罐体结构。

（4）采用新材料。

罐体车是液体运输的最安全的方式。由于罐体车的不断改进，罐体车仍将成为货主选择运输的主要方式。

1.2罐体车的应用

目前，罐体车已经在运输上得到了广泛的应用。在我国，罐车也得到了充分的利用，有高度专用化的运输酸的酸罐车、经过优化的用于运输乙二醇的乙二醇罐车、专门设计成运输液化石油气的液化石油气罐车、用于运输氯乙烯的氯乙烯罐车、运输谷物浆的谷物浆罐车等等。罐车运输已经影响到我们生活的每一部分，对国民经济的发展有着重要的意义。

二、有限单元法的应用状况及其重要性

几十年来，有限单元法已在各个工程领域得到了广泛的硬功，相应的大型软件已成为现代工程设计中一个重要的、不可缺少的工具。在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和因公的广泛性而言，主要还是有限单元法。近年来，由于计算机辅助设计在工程设计中日益广泛的应用，有限元程序包亦已成为CAD常用计算方法库中不可缺少的重要内容之一，并且与优化设计技术结合，形成了大规模的集成系统。目前，有限元法的应用已从弹性力学平面问题扩展到空间问题、壳班问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅助技术相结合。有限元法在航空、航天、造船、建筑等方面已得到广泛的应用，在化工、机械、海洋、水利、核能、地质、生物等方面也开始得到应用。主要呈现以下几个发展趋势：

（1）应用领域越来越宽；目前应用范围扩大到军事、航空航天、土木工程、机械电子、生物医学等各个领域。

（2）软件功能越来越强：从单一的CAE功能转向CAD/CAE/CAT一体化，尤其是设计/分析一体化。

（3）越来越易于使用：目前已经从以专家为主转向普通设计者和开发工程师为主。

（4）专业融合：把分析（CAE）与试验（CAT）结合在一起使用，形成一种更为广泛的“广义CAE”技术，有时又称为设计评估。

对结构分析而言，是现代结构设计方法从规范和经验设计向分析设计转变，设计者在设计阶段就能从仿真分析中形象地了解整个设计在受载后的应力、变形以及动力特性，评估设计质量，寻找最佳的设计方案，将使结构设计质量发生质的飞跃。从力学领域来说，有限元法除了用来求解一般的线性静力问题外，正向求解动力、非线性和各种场问题等方面发展。

三、罐体车有限元模型的建立

罐式运输车的主要结构如罐体、车架等均由一系列薄壁件焊接组成，且形状复杂，在建立有限元模型时采用板块单元（PShell）进行模拟。对挂车的主要结构进行抽取中面、简化模型的几何细节、几何清理，根据板壳理论可知处理后的模型能有效地描述罐体车的力学效能；对于螺栓联接处理，在不考虑其变形和应力情况时，可以用刚性单元处理，分别在Hyperworks自带的计算模块Optistruct中采用Rbe2刚性单元进行模拟；对于各种焊接主要采用Seam焊缝进行处理。罐式运输车有限元模型的建立过程如下：首先是模型结构的简化处理；对简化模型进行抽取中面；中面抽取之后进行模型的网格划分。

四、罐体车静力分析

4.1载荷及约束类型的确定

静力满载工况下的载荷主要包括：罐体及车架总成辎重产生的重力载荷，即在y轴的正方向上施加一个大小为9.8m/s2惯性载荷；液体自重产生的压强，本文以静水压强的形式将压强施加于罐体内部表面上，根据液体压强公式P=ρgh（ρ=0.84g/cm3）压强随着液体深度h的增加而增加，且作用方向为法向；左右护栏以集中力的形式（根据护栏质量得F=505N）施加于护栏支撑点位置的若干个节点上。

对于液体灌装车静力分析中的边界条件处理主要在两个位置，一个是钢板弹簧吊耳与车架的连接位置，共八处连接位置，其中最后边位置的悬架后吊耳处全约束，前三个吊耳出约束竖直方向的位移（即y方向位移）。另一个位置是罐体前部牵引板位置处的约束，该处竖直方向的位移约束，牵引销连接位置六个自由度全部约束。

4.2各工况下结构的静力分析

4.2.1液罐车满载匀速工况静力分析

约束位置位于钢板弹簧吊耳处及牵引板位置处；载荷主要包括车体自重、满载时液体对筒体的静水压强、护栏重力，其中红色圆圈标示了护栏重力作用的位置。

4.2.2液罐车满载颠簸路面工况静力分析

满载颠簸路面工况主要模拟车辆在路况比较差的颠簸路面行驶时的情况，该工况下约束方式与满载匀速工况下的约束方式相同，该工况下去一个较大的动载系数为2.5，将该动载系数与所受的静载荷相乘，然后施加到模型上进行静力分析，静力分析结果如下所示。该工况下的最大位移为0.885mm，最大位移出现在前段托架与车架的链接位置。

满载颠簸路面工况下最大应力值为378MPa，而最大应力单元周围单元的应力值均在180MPa以下，最大应力位置出现在中间托架侧板位置，在单元44250处；牵引板位置的托架腹板与筒体的链接位置处的应力也较大，该位置处的最大应力值为247MPa，出现最大应力的单元周围的单元应力值在180MPa以下。已知材料的屈服极限为235MPa，该工况下结构的最大应力值大于材料的屈服极限，所以该工况下结构有可能会出现破坏。

4.2.3液罐车满载制动工况静力分析

满载制动工况主要考虑罐车在行进过程中制动时的情况，制动工况下制动减速度取5.0m/s2；满载液体总重33t，液体惯性力根据各腔室的体积及放浪板的面积等效施加于各放浪板和封头上，挂车结构自重的惯性力以给挂车结构一个纵向的加速度方式进行处理，加速度取5.0m/s2；其他载荷如挂车自重、满载液体对罐体的压力、护栏重量的施加方式同上；约束情况同上。

4.2.4液罐车满载转弯工况静力分析

液罐车转弯工况主要考虑在满载工况下罐车以某一车速及转弯半径进行转弯时离心力对车体结构的影响。该工况下取离心加速度为1.15m/s2（转弯半径为60m，车速为30km/h，离心加速度由公式α=v2/r求得），液体的侧向惯性力等效施加在罐体侧面的节点上；结构自重的侧向惯性力以给结构定义一个侧向加速度的方式进行车里，侧向加速度取1.15m/s2,，其他载荷如液体自重、护栏重力的施加方式同满载匀速行驶工况一样。约束的定义方式与满载匀速行驶工况相同。

4.2.5液罐车支腿支撑工况静力分析

液罐车支腿支撑工况是分析当罐体车与牵引车分离式，罐体车前半部分重量分析及液体中粮由前支撑腿支撑时的情况，该工况下的载荷施加方式同满载匀速行驶工况，即包括车体自重、液体对罐体的压强、防护栏的自重；将车架与支撑腿连接位置处的六个自由度全约束，钱营销及牵引板位置的约束取消，其他约束如钢板弹簧吊耳的约束方式同满载匀速工况。

4.2.6液罐车各工况经理分析对比

已知材料的屈服极限为235MPa，数据可知液罐车满载匀速工况、液罐车满载制动工况、液罐车满载转弯工况下结构的最大应力值均小于材料的屈服极限；而液罐车满载颠簸路面工况、液罐车支腿支撑工况下得结构的最大应力值大于材料的屈服极限，所以这两种工况下，罐体车结构有破坏的趋势。

结束语

本文主要是根据液罐车的集中典型工况对液罐车进行静力分析及模态分析，根据应力较大的位置和变形较大的位置为结构的该井提供参考依据，对罐车的结构不满足使用要求的部位需要进行结构的布局强化处理，以使结构的强度和刚度满足使用要求。根据模态分析结果确定结构的前几阶固有频率，重点是低阶固有频率，根据结构的固有频率确定外界激振频率对罐车整体结构稳定性的影响，以避免罐车结构发生共振现象造成结构的破坏。

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