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半挂液罐车罐体强度分析
发表时间:2009-11-21    作者: 张景 瞿绘军 王琳  来源: 安世亚太
以中集通华某半挂液罐车为研究对象,建立三维模型,运用有限元软件对其分别进行了0.03Mpa与0.06Mp液压试验工况下的强度分析计算,指出了结构应力集中部位。在有限元分析的基础上,采用电测法对结构应力进行了测试,并进行了对比,两者基本吻合。通过该分析,为产品设计提供了充分的理论依据。
 

1 前言
    半挂液罐车是用于装运液体物质的专用车辆,由于它具有灵活、方便、制造周期短等优点,已经成为目前水、燃油、酸类、饮料、牛奶等的主要运载设备之一。罐车在运输过程中环境多变,设计制造要求较高,必须可靠、经济、合理。罐体的设计与制造是最重要的因素,对其强度进行分析是很有必要的。鉴于此,本文针对我司研发的新型常压保温半挂液罐车进行了有限元分析,针对其液压试验进行了应力测试,并比较了计算值与试验值,以充分了解其应力分布,最终得到更加安全合理的设计方案。
2 有限元分析
2.1 基本假设与简化

    (1)罐体为线弹性系统。
    (2)罐体和装载介质是各向同性,密度均匀分布。
    (3)结构上的小圆角等工艺因素不考虑。
2.2 单元类型的选择
    根据有限元分析的基本理论,单元类型选择的恰当与否,对计算的精度和速度有着直接的影响。板壳结构是指在几何上一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸要小得多的薄壁结构,一般当厚度t与另外两个方向的最小尺度L之比小于1/10,即可视为薄壁板。组成罐体及车架的各种构件采用的大多是薄壁构件 , 截面厚度与其它两个方向的长度相比满足薄壁构件的假设,因此采用板壳单元是合适的。综合考虑罐体的结构和受力特点,选取4节点四边形单元SHELL181单元。在 SHELL181单元的每个节点上具有 6个自由度,即沿坐标轴的位移自由度 UX、UY、UZ和绕坐标轴的转动自由度 ROTX、ROTY、ROTZ。
    整个结构基本左右对称,但考虑罐体内部防浪板的设计,仍然对整车建立完整模型,如图 1所示。网格的划分应用 ANSYS软件自带的 Meshtool工具,选用合适的面和边长尺寸,可以方便快捷地将模型划分网格。


图1 整车实体模型


2.3 材料特性参数及边界条件处理
    该车主要由罐体总成和车架总成构成,使用的材料分别为为 SUS304及 Q345A,材料的特性参数见表 1。


表1 材料特性参数简表


    由于该车的实际变形量相对于整个罐体的变形量很小,本文主旨在于罐体的分析,故在此不考虑钢板弹簧的影响,并简单作以下约束处理:
    (1) 在悬架对应位置采用固定约束;
    (2) 在牵引销对应位置采用固定约束;
    计算工况分别对应于液压试验下,水满充压 0.03Mpa及 0.06Mpa。载荷施加为:
    (1)罐车自重产生的重力载荷 ,即在 Y轴的负方向上施加大小为 g=9.81m/s2的惯性载荷;
    (2)施加液体自重压力载荷,考虑冲装介质为水,按压力梯度加载。
2.4 分析计算结果
    根据计算结果图片可以发现,罐体最大应力出现在封头折弯处。罐体其余部分应力较低。这主要是由于碟形封头制作时的折弯半径不合理造成的。在液压试验工况下(该压力大于垂直向下 2g载荷),图 2表明,水满冲压 0.03Mpa时,罐体应力最大值为 214Mpa,已经达到材料的屈服极限;而水满冲压 0.06Mpa时,在封头局部小范围,材料已经屈服。因此,在封头折弯处较容易发生破坏。除此之外,罐体其余部分应力较低,是绝对安全的。


图2 水满冲压0.03Mpa时von mises应力分布云图 分页


3 应力测试
3.1 测试过程

    通过电测法测定该车 (额定载荷为 30t)的罐体和车架上特定点的静态应力时,卸去了罐车的车轮、保温层以及护栏部分,制做出专用支架,分别放置于牵引销及悬架对应位置。
    测量仪器使用了江苏联能电子技术有限公司的 YE2539静态电阻应变仪。试验前根据有限元软件分析的结果,同时考虑实际情况,将测点主要布置在左半部罐体,并在右半部分罐体贴有少量应变片。
    考虑到罐体横截面形状由8条不同曲率半径的圆弧线组合而成,在液压试验工况下,主应力的方向较容易确定,因而在罐体上主要布置单向应变片。
3.2 试验结果分析与对比
    由于试验数据较多,现取出液压试验时水满冲压0.06Mpa工况进行比较。为了得到测点的应力值,根据材料力学公式计算出了各个点的应力。
    单向应力σ=Eε
    从有限元模型提取出相同工况下对应于电测试验的部分测试点的分析结果,点的位置及应力分布如图4~6所示。由于贴片的位置不同,需要根据结构的不同转换成局部柱坐标系。将其和有限元计算结果加以比较,如表2所示(其余所有测试点的数据略)。图3更加明确的给出了计算值与试验值的关系。


表2 水满冲压0.06Mpa时试验值与计算值比较表


图3 计算值与测试值比较图    图4 封头径向应力云图


图5 罐体中部径向应力云图    图6 罐体中下部径向应力云图


4 结论
    (1) 半挂液罐车是一种很重要的运输工具,其设计的关键点在于罐体的设计。采用有限元软件ANSYS给出了液压工况下的计算结果,验证了设计的可靠性与可行性。
    (2) 利用电测法对液罐车成功地进行了应力测试,在工况相同的前提下,与有限元计算结果进行了比较,两者数据吻合较好。
    (3) 根据计算与测试结果,可以进一步优化罐体设计,使设计更加合理、可靠,并提高产品的市场竞争力。

责任编辑:杜凯
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