消防車聚丙烯泡沫罐體有限元分析及優化研究

歐濤 李鄉安 曾樂兵

長沙中聯消防機械有限公司 湖南長沙 410200

1 前言

消防車液罐主要用于存儲滅火用的水和泡沫液，傳統的消防車液罐一般使用304、316不銹鋼板折彎、拼焊而成。在實際液罐焊接加工過程中，液罐焊縫處材料容易受到焊接和打磨過程中的高溫影響，導致不銹鋼材料中的碳化物析出，從而造成罐體抗腐蝕性能下降和不銹鋼特性退化[1]；由于泡沫液具有一定的腐蝕性，液罐在使用一段時間后容易產生腐蝕生銹現象[2]，一般消防車不銹鋼液罐在使用3～4年后會出現不同程度的銹穿滲漏現象。根據使用客戶反饋信息表明，當對不銹鋼罐體進行焊接修補后只能臨時消除滲漏現象，不能杜絕此類問題再次發生。焊接修補過程產生的高溫會進一步降低液罐焊縫處的抗腐蝕性能[3]。不銹鋼液罐出現此類銹穿滲漏現象，嚴重影響用戶使用體驗，能否找到一種耐腐蝕性能較強且耐腐蝕性能不受加工工藝影響，又具有一定機械強度的材料來替代液罐的不銹鋼？

聚丙烯塑料簡稱PP[4]，具有優異的耐熱性、耐腐蝕性能，有一定的機械強度和良好的焊接成型性能；密度為0.89～0.91 g/cm3，熔點可高達167℃，拉伸斷裂強度為34～44 MPa；具有易于加工、易于維修、原料易得、價格便宜等優點，因而廣泛應用于石油、化工、冶金、輕工、醫藥、染料等行業。該材料主要用于制作儲料罐、反應容器、管道等靜止容器，但國內消防車行業鮮有廠家將聚丙烯(PP)材料用于消防車液罐。筆者考慮采用聚丙烯(PP)材料替代不銹鋼制作消防車。由于消防車安裝在運動汽車底盤上，罐體在運動過程中，不僅受到泡沫液的沖擊載荷而且還受到副車架傳遞給罐體的沖擊載荷，所以評估聚丙烯(PP)液罐在行駛過程中可靠性是考察該替代方案可行性一個重要角度。

本文以某消防車的罐體為研究對象，嘗試將罐體材料以聚丙烯(PP)材料替代傳統的304、316不銹鋼，利用成熟的有限元軟件Ansys對其罐體結構進行強度、剛度計算，評估用聚丙烯(PP)材料代替傳統304不銹鋼材料是否能滿足可靠性要求，即罐體在任意工況下的最高應力應小于或等于材料屈服強度的一半[5]。

2 聚丙烯泡沫車及罐體

消防液罐車主體結構如圖1所示，消防泡沫車主要由底盤、聚丙烯(PP)材質的液罐組成，底盤大梁通過副車架與罐體相連；為了減少底盤在運動過程中的沖擊通過副車架傳遞給對罐體，在傳遞副車架與罐體間增加了減振座。聚丙烯(PP)罐體結構如圖2所示，聚丙烯(PP)罐體主要由外圍的罐體主板和內部起加強作用的罐體筋板焊接而成，連接梁連接減振座和罐體主板，通過螺栓與罐體相連。

圖1 消防車三維模型

圖2 液罐模型

圖3 泡沫罐體實物圖

3 罐體有限元建模

罐體的主板、加強筋板、連接梁屬于典型的板殼結構、用殼單元shell181來模擬，并按板的實際厚度賦給殼單元；橡膠材質的減振座采用具有一定的剛度彈簧單元Combin14來模擬，按照減振座廠家提供的實際剛度值5 300 N/mm來定義；罐體主板與減振座的連接螺栓用梁單元Beam188模擬，截面參數取螺栓的名義截面尺寸；假設副車架處于剛性狀態，將減振座與副車架相連的節點的平動自由度約束住，模擬副車架上安裝液罐。模型中所用到的材料如表1所示。

表1 材料參數表

下面分別從過載、剎車行駛工況進行可行性評估。各部件間的力傳遞關系依次如下，泡沫液在重力作用和底盤行進過程中產生液體壓力，首先泡沫液將液體壓力傳遞給罐體主板，罐體主板將載荷傳遞給連接梁，然后連接梁將力傳遞給減振座，再傳遞給副車架，副車架將力傳遞給底盤，最后底盤將載荷傳遞到地面，完成了載荷傳遞。

為了簡化系統的受力和分析，避免進行復雜車輛動力學分析和罐體與泡沫液的流固耦合分析，根據以往消防車型開發的經驗，采用靜態等效的方式計算罐體在過載、剎車行駛工況下的所受到的載荷。即首先將罐體看作為一個質量點，質量大小為罐體所裝液體的總質量，消防車在不同工況運動過程中所對應不同方向的極限加速度如表2所示，質點在運動中產生的極限加速度全部由罐體來提供，因此罐體所受的液壓大小與質點所受到的力大小相等、方向相反。在有限元模型中，實際是將帶梯度的液體壓力施加到罐體主板上以實現對各種工況的模擬，以剎車工況為例，所有的罐體主板會受到兩種分量的力，第一分量是泡沫液的靜水壓力，作用在所有與液體接觸的罐體主板上；第二分量是行駛過程中受到的剎車沖擊力，作用在受到液體沖擊的罐體主板上。將所有罐體主板的這兩分量載荷進行疊加便得到了所有罐體主板所受到總的帶梯度的液體壓力。

表2 罐體在行駛工況的等效極限加速度和方向

4 泡沫罐體仿真結果

圖4顯示了過載工況下聚丙烯(PP)泡沫罐體的應力分布和位移分布，過載工況考察的是消防車在通過凹凸不平地面時罐體內部受到的豎直向下的沖擊載荷，從圖4(a)可以看出，整個罐體側面圍板應力低于5 MPa；圍板在沖擊載荷作用下罐體有向外膨脹的趨勢；圍板上的筋板起連接加強作用，承擔了圍板整體的彎矩載荷，作用明顯；跨度較大腔體的圍板應力較跨度低的腔體應力高。由于整個罐體承受的是垂直方向的載荷，罐體底板的應力較罐體圍板高，最大應力點應力為8.9 MPa，滿足最大應力是材料屈曲應力一半的要求；垂直變形最大的點也出現在底板中心點上約14.5 mm。

圖5顯示了剎車工況下聚丙烯(PP)泡沫罐體的應力分布和位移分布，過載工況考察的是消防車在緊急制動時罐體內部受到的沿著行駛方向的沖擊載荷，從圖5(a)圖可以看出，整個罐體未受到沖擊的側面圍板和底板應力低于3 MPa，它們的變形也較小；受到沖擊作用的圍板和隔板應力較高，達到13 MPa；受到沖擊載荷的隔板變形也最大，達到37 mm。

圖5 剎車工況下聚丙烯(PP)罐體應力、位移圖

5 結語

a. 通過對上面有限元計算結果分析發現，過載工況下的最大應力為8.9 MPa，垂直位移為14.5 mm；在剎車工況下的最大應力約為13 MPa，沖擊方向的最大位移為 37 mm，以上兩種工況均滿足強度要求。

b.通過上面有限元計算發現，滿足強度要求的泡沫液罐體在質量上與304不銹鋼材料差別不大；通過簡單數據分析也可以得到同樣的結論，304不銹鋼材料的比強度（材料的屈服強度除以密度）約為25.6 MPa·cm3/g，聚丙烯(PP)材料的比強度約為26.4 MPa·cm3/g；通過在實際加工過程中，對材料和加工成本的統計發現，聚丙烯(PP)材料泡沫罐成本略低于304不銹鋼；

c.在過載和剎車工況下，相比于不銹鋼材料的罐體泡沫液罐體的變形較大，這是由于聚丙烯(PP)材料的彈性模量只有鋼鐵材的6 ‰，因此用聚丙烯代替鋼鐵材料不可避免會帶來剛度的降低，也導致罐體主板厚度普遍在25 mm左右；

d.從可靠性角度看，泡沫罐體材料用聚丙烯(PP)材料替代傳統的不銹鋼材料是完全可行的。