航空運油罐車結構強度分析與優化*

蔡加加，劉 晨，瞿繪軍

(1.揚州中集通華專用車有限公司，江蘇 揚州 225000；2.揚州職業大學，江蘇 揚州 225000)

0 引言

飛機運油車作為航空業可移動燃料補充裝置，運油方量大小關系到飛機加油的時間與效率。目前，國內尚未有對45 kL以上方量航空運油車的研究和制造，以此為契機，根據航空運油車使用和運輸情況，揚州中集通華專用車有限公司設計了一款超大方量(65 kL)的飛機運油車。結合工作實際設計建立航空運油車的三維模型，以ADR(Australian Design Rules)標準為參照，分析向下2G(G為整車重量(含內部介質))、側向1G、向上1G、向前2G這4種極限工況下的結構強度。本文以罐車主要結構(罐體、車架、加強筋結構)為研究對象，對標分析剛度和強度，增設車架減載槽，同時，以墊板和外側加強筋的厚度為參數進行多次優化以驗證罐體結構力學性能。該車的研制有效填補了國內市場大方量航空運油車型號空白，切實有效地滿足國內客戶的使用需求[1]。

1 鞍座總成分析

近年來,汽車輕量化的趨勢愈演愈烈,為保證在整車重量不變的情況下,使得單次運油的方量有所增加，本次設計采用了全鋁制材料。鋁制材料按照GB18564.1—2019《道路運輸液體危險貨物罐式車輛第1部分：金屬常壓罐體技術要求》，其斷后伸長率大于等于12%，相鄰焊接材質應采用同質材料。模型采用EN14286的標準延伸率為12%的H321材質，屈服強度Rp0.2為220 MPa，抗拉強度Rm為305 MPa[2-3]。依據JB/T4732—2002《鋁制焊接容器》標準，許用應力要求Rm/4和Rp0.2/1.5取小值，材料許用應力為76.25 MPa。

由于航空業飛機運油車輛使用存放環境的限制，其外部形狀、內部結構與常規的罐車有本質的區別。為降低整車質心高度、減少罐車側翻可能，整車結構采用V形對接，封頭和防浪板采用凹凸結構，整車采用市場上運用比較廣泛的鞍座式結構，具體如圖1所示。

圖1為利用UG軟件建立的大方量航空運油車三維模型，基于該模型分析ADR 4種極限工況下筒體、車架處重要焊縫的應力情況，結果見表1[4]。

圖1 航空運油車結構模型

表1 各工況下外側加強筋根部焊縫處應力 MPa

由于航空飛機加油車使用過程中剎車情況較為頻繁，向前工況下車輛點頭現象較為嚴重。在向前2G工況下，存在介質沖擊時有能量累計的過程。此時，車架區域的焊縫應力較大。在向下2G工況下，即過凸輪凸包時，筒體的應力相對較大。限于文章篇幅，本文僅展示向下2G時筒體和車架應力云圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 向下2G工況筒體應力云圖

圖3 向下2G工況車架應力云圖

2 罐車結構優化

為解決上述方案中筒體和車架應力過高的問題，以外側加強筋的厚度為參數對其進行優化分析。在此基礎上，改進筒體和車架的結構，增設車架卸載槽，對罐車進行整體力學性能的二次優化[5]。

2.1 墊板和外側加強筋的厚度

加強筋與墊板相連，墊板與筒體緊密相連，因此以墊板與加強筋的厚度t為優化參數。分別選擇t=8 mm、10 mm、12 mm作為墊板和外側加強筋優化對比參數，結合本文筒體和車架實際應力較大區域位置，分析筒體和車架的應力，具體結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同厚度加強筋下筒體應力

圖5 不同厚度加強筋下車架應力

從圖4和圖5的分析結果可以看出:隨著墊板和外側加強筋的厚度增加，在一定程度上有效降低了筒體和車架的應力，但是與材料的許用應力相比較，尚未達到要求。為盡量提高罐車的結構強度，墊板和外側加強筋厚度均選擇t=12 mm。

2.2 腹板減載槽優化

結合罐體結構，在變截面位置給筒體增設V形貼板、在車架腹板開設減載槽以優化罐車性能，減載槽結構如圖6所示。因篇幅影響，V型貼板在本文中暫不討論，本文主要討論有無減載槽對筒體、車架的影響，具體如圖7、圖8所示。

圖6 減載槽示意圖

圖7 有、無減載槽筒體應力對比

圖8 有、無減載槽車架應力對比

從圖7、圖8中可看出：增加了減載槽的筒體和車架應力有所下降。因此，為解決零件的應力集中問題，提高機械零件疲勞強度，可采用減載槽結構改變零件的力流線來降低應力集中現象的發生。

3 結束語

針對航空業較為急需的大方量飛機加油車建立模型并進行極限工況仿真分析，提出優化支架墊板和加強筋厚度方案，同時，通過增加車架豎筋板減載槽形式進一步進行卸載。具體結論如下：

(1)隨著支架墊板和外側加強筋板厚度增加，筒體應力和車架應力有一定下降。

(2)通過對罐車后車架增設減載槽結構，有效降低了筒體和車架的應力。