液化氣體運輸車V型支座的合理設計

劉忠亮　錢才富

摘要：用ANSYS建立液化氣體運輸車罐體有限元模型，對包括4種慣性力載荷在內的多種工況的作用進行應力分析.結果發現：在所有工況中，受與運動方向垂直的水平方向1倍重力載荷的工況作用時，后封頭與筒體連接處的局部應力出現最大值；為減少局部應力，單純增加封頭或筒體厚度既不經濟也不合理.為此通過ANSYS中的優化設計模塊研究V型支座的尺寸和位置對封頭應力的影響，并通過調整其尺寸和位置降低封頭與筒體連接處的局部最大應力，使其滿足強度要求.

關鍵詞：液化氣體罐車； 封頭應力； 有限元； 優化分析

中圖分類號： U469.6 文獻標志碼：B

Abstract：A finite element model of the tank body of a liquefied gas tanker is built by ANSYS， and the stress is analyzed under different working conditions with four kinds of inertia forces. The results show that， among the working conditions， while the tanker is subjected to one times gravity load in the horizontal direction which is vertical to the moving direction， the maximum local stress at the connection between rear head and tank body occurs； it is not economic and rational to reduce the local stress by only increasing the head thickness or the tank body thickness. The effect of the size and position of the Vshape support on the stress at the head is studied， the size and position are adjusted to reduce the maximum local stress， and the strength meets the requirements.

Key words：liquefied gas tanker； head stress； finite element； optimization analysis

0 引 言

20世紀70年代末期，隨著液化石油氣開始成為工業和居民生活的燃料，液化氣體罐車制造業開始從無到有的歷程.經過40年的發展，液化氣體罐車由單車發展到半掛車，而罐車的輕量化也在近年來提上發展日程.[1]

罐式半掛車運輸的多數是易燃、易爆甚至有毒的液化氣體，并且罐車在運輸過程中還承受不穩定的慣性載荷.要確保運輸安全，罐車在設計、制造過程中必須嚴格滿足技術規范要求.[2]

對于半掛車罐體的分析，前人已經進行大量的研究，總結相關文獻，可以分為4個方面：強度分析、失穩分析、模態分析和流場分析.唐應時等[3]對無梁半掛車的罐體進行有限元分析，并通過模態分析獲得罐體和支座的前6階模態；劉雪梅[4]對半掛車常見的4種工況進行有限元分析，并通過穩定性分析求得罐體的臨界失穩壓力；魏冬雪[5]對低溫液化氣體儲罐進行強度分析和模態分析，考慮熱、風和地震載荷對罐體的影響，并對內外筒體的連接結構進行改進；陳志偉[6]對充有黏性不可壓介質的臥式柱形罐車內部介質的縱向和橫向晃動進行模擬，獲得液體晃動的固有頻率.

通過對某半掛車罐體常見的4種工況進行強度分析，發現4種工況下后封頭的局部膜應力均較大，甚至在危險工況下會超過許用應力值.對于常規設計而言，降低封頭高應力區的解決辦法一般是增加封頭的厚度，然而這樣是不經濟的，也是不合理的.對于如何解決這個問題，一些學者也給予關注，例如，許明[7]研究液化氣體運輸車V型支座對罐車的安全運行的影響，并給出罐車失效的2個案例；針對罐車后封頭與V形支座連接處頂端處開裂案例，分析事故發生的原因并提出應對措施，如在V型座與罐體連接部位增加補強板、保證V型座直線度、合理的焊縫布置以及避開邊緣應力區等.本文從力學分析的角度，使用優化分析方法，通過改變V型支座的尺寸和位置，量化研究其對封頭應力的影響，以解決封頭應力超標的問題.

1 V型支座與罐體的連接方式

本文研究的半掛車罐體與V型支座間采用焊接的連接方式，V型支座由V型板和撐板組成，其中兩端的撐板與筒體焊接，其余撐板只起加強V型支座的作用，故本文在建模中只考慮兩端的撐板.在ANSYS中，通過布爾運算將V型座與罐體連在一起模擬相互間的焊接.罐體與V型支座連接示意圖見圖1.

前文已經指出，后封頭靠近V型支座處的膜應力較大，甚至會超過許用應力值.本文通過改變V型支座的結構，探究造成封頭局部膜應力較大的原因，從而間接確定較為合理的V型座結構形式.半掛車的結構和設計參數見表1.

半掛車筒體和封頭的材料均為Q370R，牽引座、V型支座以及所有墊板的材料均為Q345R，人孔凸緣的材料為16MnⅢ.

2 優化原理與優化模型

2.1 結構優化技術

優化就是在滿足既定的技術和經濟條件下，通過賦予設計參數合理的數值，使所設計的產品達到最優的過程.結構優化技術包括尺寸優化、形狀優化和拓撲優化3個層次.尺寸優化是一種參數優化技術，即通過改變設定參數的值得到最優尺寸的一種優化技術.形狀優化和拓撲優化分別通過改變邊界形狀和結構布局達到優化的目的.[89]

本文利用結構尺寸優化技術，通過ANSYS中的優化模塊進行詳細的參數設置，研究V型支座的尺寸和位置對封頭應力的影響.

2.2 ANSYS優化設計的原理和方法

優化問題的基本原理是將各種優化方法用于所建立的優化模型上，并在滿足設計要求的條件下進行迭代計算，求得目標函數的極值，從而得到最優設計方案.

在優化分析中，存在3種優化變量，即設計變量，狀態變量和目標函數.簡單來說，尺寸優化分析就是在滿足狀態變量的條件下，通過改變設計變量得到目標函數的極值，從而得到優化結果.[10]

2.3 優化模型

根據是否改變V型支座前端與后端的位置建立3種優化模型.通過建立這3種模型研究V型支座的尺寸和位置對所關注的封頭局部應力的影響，并進行對比分析.為方便表達，將支座長度設為

L，V型座后端與封頭和罐體連接焊縫的距離設為T，見圖2.模型1在保證L+T=4.15 m的前提下，將T作為設計變量，研究封頭的應力與T變化的關系；模型2保持L=4 m不變，仍以T作為設計變量，研究封頭的應力與T變化的關系；模型3保持T=0.15 m不變，以L的值為變量，研究封頭應力與L變化的關系.

選擇ANSYS優化模塊中的等步長搜索優化工具即SWEEP方法，可以在一次計算中最多得到10組不同T值對應的計算結果，減少計算時間，提高效率.

2.4 優化變量

在進行優化時，以后封頭處的最大應力

SMAX為目標函數.在3種優化模型中，無論是改變T的值還是改變L的值，都應該保證筒體與支座的連接區域應力不能過大，故將筒體與V型支座連接處的最大應力作為此次優化的狀態變量，以STMAX表示.不同的優化模型設有不同的設計變量，模型1和模型2以變量T作為設計變量，而模型3則以變量L作為設計變量.

3 有限元分析

3.1 有限元幾何模型

半掛車罐體具有薄殼的幾何特征，因此建立罐體整體模型時采用殼單元建模，而在罐體的上部開有凸緣式的人孔.根據GB/T19905—2005《液化氣體運輸車》規定，公稱直徑大于等于250 mm的凸緣為主要受壓元件，不能忽略；同時考慮到凸緣本身的厚壁結構，此處只能采用實體建模.為實現2種單元節點自由度的耦合，在建模過程中使用多點約束（MultiPoint Constraint， MPC）法，將2種單元在連接處建立約束方程.MPC法可以保證分析結果具有足夠的精度，同時也減少計算量，節約計算時間.[11]罐體有限元網格模型見圖3.

有限元強度分析的4種工況如下.

工況1：內壓+自重+運動方向2倍質量載荷；

工況2：內壓+自重+與運動方向垂直的水平方向1倍重力載荷；

工況3：內壓+垂直向上1倍重力載荷；

工況4：內壓+垂直向下2倍重力載荷；

在4種工況下，計算結果都顯示出后封頭局部膜應力較大，并且在工況2下的膜應力最大.工況2下的后封頭應力見圖4.

由圖4可知：封頭上的最大應力發生在封頭底部與豎直方向（y軸）夾角約30°的地方，其值約為364 MPa.對于Q370R材料，按應力分類法，此處應力屬于局部膜應力，取1.5倍的設計應力強度[12]，其許用應力值為330 MPa，顯然不滿足強度要求.雖然增加封頭厚度能降低局部膜應力，但會顯著增加成本，而此處應力過大很可能是由V型支座引起的，故本文通過優化分析研究V型支座的尺寸與位置對封頭上應力的影響，力求在不增加封頭厚度的情況下減小此局部膜應力，使其滿足強度要求.

3.2 載荷和位移邊界條件

由于工況2作用下的封頭局部膜應力最大，故優化設計針對工況2.載荷為設計壓力P=1.91 MPa+自重+工況2下的慣性載荷.

位移邊界條件：罐車的V型支座固定在車架上，前部的牽引座支撐在拖車上，可以沿著軸向滑動，因此對V型支座底部施加全約束，即約束支座全部的平動自由度和轉動自由度；對牽引座底部施加側向和重力方向的約束.

3.3 優化分析結果

采用等步長搜索法，將模型1和模型2的設計變量T的變化范圍設為0.15～1.30 m，模型3的設計變量L的變化范圍設為2.7～4.0 m.由于ANSYS軟件本身的限制，每種優化模型的設計變量最多平均分為10份，可以計算得到10組目標函數與狀態變量隨設計變量的變化數據.為更直觀地表達優化分析的結果，通過ORIGIN軟件將數據繪制成曲線圖，見圖5.

由圖5a可知：模型1和2得到的SMAX曲線幾乎重合，表明設計變量T是影響封頭最大應力的主要因素，而與V型支座前端位置關系很小.這一點通過模型3的分析也能看出.圖6a中保持T=0.15 m不變，改變L的值，可以看出SMAX的變化范圍只有2 MPa左右.

由圖5b可知：對于模型1和2，在改變V型支座后端位置的初期，STMAX數值變化很大，其值由317 MPa降低到277 MPa左右；當T達到一定數值后，STMAX值基本不變.圖6b顯示支座前端位置單獨變化對STMAX的影響，可以看出其變化范圍只有5 MPa左右，變化量相對于STMAX很小，故可認為支座前端位置對STMAX影響不大.

計算單純通過增加封頭厚度將局部應力降低到許用應力之下所需要的厚度，結果封頭厚度需增加到12.5 mm其局部膜應力才可以降低到302 MPa，達到與上文改變V型支座的位置同樣的效果.封頭厚度增加近2.5 mm，封頭的質量會增加近110 kg，這樣做很不經濟，顯然也不合理.

4 結束語

研究液化氣體運輸車罐體V型支座的尺寸和位置對封頭應力的影響，結果發現封頭上的最大局部膜應力與V型支座后端的位置關系很大：V型支座遠離封頭，可以降低封頭上的最大局部膜應力，同時也可以有效降低V型支座與筒體連接處的最大應力.本文研究表明，對于液化氣體運輸半掛車罐體，V型支座的設計不僅要考慮制造和運輸問題，還要考慮支座反力對筒體，尤其是封頭強度的影響，在能夠滿足制造和運輸要求的前提，應采用調整支座大小和位置的方法，使封頭和筒體中的應力最小，從而使液化氣體運輸半掛車罐體設計更加經濟合理.

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（編輯 武曉英）