汽車罐車罐體結構斷裂形式分析

王興路

摘要：針對汽車罐車罐體結構中出現的斷裂現象，建立36m3液化石油氣半承載式汽車罐體結構（含副車架）三維模型，分析半承載式汽車罐車在典型工況（勻速、加速、減速、轉彎）下的受力情況并計算載荷大小，采用有限元法計算汽車罐車典型工況下的應力分布，根據計算結果并結合汽車罐車的運行狀態(tài)確定結構的斷裂形式，罐體結構斷裂主要是罐體與連接板焊縫處表面裂紋疲勞擴展引起的。

關鍵詞：汽車罐車;結構斷裂;有限元分析;疲勞裂紋擴展

0? 引言

汽車罐車作為液化氣體的常用運輸工具，具有壓力高、移動性強、易燃易爆等特點。近年來，隨著經濟的增長，各行業(yè)對液化氣體需求量越來越大，汽車罐車數量也隨之逐年增加[1]。汽車罐車運行過程中承受多重載荷的共同作用，包括自身重力、容器內介質的重力、轉彎時的離心力、運行至不平整路面時豎直方向的沖擊力、介質的壓力、介質晃動對罐體產生的沖擊力等，多重載荷的長期共同作用下，易在罐體結構中出現斷裂現象，嚴重影響著汽車罐車的承載強度和使用壽命[2，3]。

確定汽車罐車結構中出現斷裂的破壞形式，利于指導罐體結構的再設計，減少事故的發(fā)生。本文采用理論計算與有限元法相結合，計算多工況下罐體結構載荷大小和應力分布，結合汽車罐車的運行狀態(tài)確定結構中出現斷裂的破壞形式。

1? 罐體受力分析

液罐車在行駛過程中，由于充裝比不同、工況不同、司機駕駛習慣不同，所產生的應力、應變也不同，本文分析罐狀體積85%的液化石油氣[4]。根據國標GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》的相關規(guī)定，對罐車勻速、加速、減速、轉彎四種工況進行受力分析[5]。

①液罐車在勻速行駛時，載荷由罐體自身重力和液化石油氣重力組成;

②液罐車在緊急制動時，國標明文規(guī)定其他車輛制動要求為：制動初速度為30km/h時，空載制動距離不大于9m，滿載時制動距離不大于10m。由此可以計算出滿載時制動減速度為3.47m/s2，在實際行駛過程中制動減速度往往大于3.47m/s2。因此，本文選擇罐車在緊急制動時取加速度為4m/s2，載荷由罐體自身重力、液化石油氣重力及制動慣性力組成;

③當液罐車轉彎時，取離心加速度為1.15m/s2（罐車轉彎半徑為60m，車速為30km/h），載荷由罐體自身重力、液化石油氣重力及轉彎慣性力組成;

④當液罐車加速時，罐車百公里加速空載時為20s左右，計算得出平均加速度為1.39m/s2;滿載時百公里加速約為30s，計算出加速過程平均加速度為0.93m/s2。實際情況中平均加速度均大于此值，綜上所述本文取值2m/s2，載荷由罐體自身重力、液化石油氣重力及加速慣性力組成。

液罐車罐體內部設有防波板能大幅度降低液體晃動，因此不考慮加速、轉彎、減速工況過程中液化石油氣流動產生的質心變化。并且在運行過程中罐體內液化石油氣和氣體液化石油氣的比例保持不變，即壓強不發(fā)生變化。分別建立靜載和四種典型工況下罐體結構的平衡方程，計算結果如表1所示。

2? 有限元分析

2.1 三維模型

實際罐體結構帶有大量附屬裝置，附屬裝置的存在增加建模的難度并對結構的應力分布影響不大，因此，三維建模時將結構進行簡化，具體簡化方法如下：

①罐體自身結構簡化：對于罐體裝卸裝置、人孔、安全閥、管路系統(tǒng)、其他附屬裝置等對分析結果影響不大的，可不建立其結構。

②附件簡化：扶梯、罐車頂部的操作平臺、護欄等可忽略。

③焊縫簡化：忽略焊縫對結構分析的影響。

根據某企業(yè)生產的36m3液化石油氣半承載式汽車罐車罐體結構尺寸，建立簡化后的罐體結構（含副車架）三維模型，如圖1所示。

2.2 有限元模型

將建立的三維模型導入HyperMesh中進行有限元分析前處理，完成模型完整性檢查并進行網格劃分。模型采用殼單元，筒體和封頭網格尺寸選擇40mm，防波板、底座、車架選擇25mm，網格劃分共得到節(jié)點97424個，網格167956個，如圖2所示。

2.3 有限元分析結果

根據生產企業(yè)提供罐車罐體基本參數，在有限元軟件中建材料參數和材料屬性，根據罐體結構間的連接形式添加約束及建立各部件間焊接，根據理論計算結果添加載荷。內壓采用均布載荷的方式施加在罐體內表面，大小為1.77MPa，重力和慣性力均采用重力加速度的加載方法，計算各工況下的罐體應力分布，加速工況罐體應力分布如圖3所示。

各工況下罐體結構最大應力如表2所示，轉彎工況下結構應力最大，為257.82Mpa。從各工況應力云圖可以看出：最大應力均出現在罐體與副車架連接板的連接位置。

3? 罐體結構斷裂形式確定

汽車罐車運行時，罐體結構承受多重載荷的共同作用，包括自重、介質的重力、介質的壓力、加速制動時的慣性力、轉彎時的離心力、介質晃動對罐體產生的沖擊力等，各載荷大小均不固定，隨汽車運行狀態(tài)的變化而變化，因此罐體結構中出現的斷裂屬于疲勞斷裂。

通過有限元計算結果可以看出，各工況下最大應力均出現在罐體圓筒與副車架連接板的連接位置，該位置為焊接連接，由于焊接工藝的影響，在焊趾部位易形成咬邊、應力集中，在外部交變載荷的作用下形成表面微小裂紋并逐漸向內部擴展，最終導致結構的斷裂。因此，汽車罐車罐體結構斷裂時由焊縫表面裂紋逐漸擴展引起的，多出現在罐體與副車架連接板焊接位置。

4? 結論

通過對36m3液化石油氣半承載式汽車罐車運行狀態(tài)分析、理論分析和有限分析，罐體結構中最大應力均出現在罐體與副車架連接板的連接位置，汽車罐車罐體結構斷裂時由焊縫表面裂紋逐漸擴展引起的。

參考文獻：

[1]楊立軍，林琦.移動式壓力容器常見檢驗問題綜述[J].化工管理，2017（11）：143.

[2]朱興海，張郅，陳傳斌.壓力容器疲勞裂紋擴展的數值模擬進展[J].機械工程師，2015（1）：74-76.

[3]Guangxue Yang， Shuang Li. Fatigue properties of AL/AL-MG alloy laminated materials for the applications to railway tank cars[J]. International Journal of Fatigue，2019，122（25）：173-183.

[4]張書斌.鋁合金液罐車結構強度與剛度的有限元分析[J].機械設計與制造工程，2017，46（01）：16-18.

[5]GB7258-2017，機動車運行安全技術條件[S].北京：中國國家標準化管理委員會，2017.