現場混裝車的一種輕量化料倉及數字化驗證

葉德宏 姜祖勇

（江蘇澳瑞凱板橋礦山機械有限公司）

隨著工業散裝炸藥在國內的不斷推廣應用，現場混裝炸藥車在國內民用爆破行業的保有量也越來越多，目前全國各種類型的現場混裝炸藥車保有量超400臺。作為工業散裝炸藥技術推廣應用的重要一環，現場混裝炸藥車不僅作為炸藥原料裝載運輸的單元，又是進行現場裝藥的核心設備。

1 概述

現場混裝炸藥車（下稱“混裝車”）除了進行公路運輸遠程投遞外，更多時間在礦山道路和爆破作業平臺上行駛作業；混裝車能夠穩定安全的工作，特別是承載主要原料和輸送設備的箱體能夠滿足復雜惡劣的路況和使用過程中的各種工況，在正常設計使用年限內不會因箱體設計的結構和強度問題，出現箱體變形、破損、結構件斷裂等現象，進而造成各種生產問題和安全隱患，這就對原料罐體的結構強度設計提出了很高的要求［1］。同時上路行駛的危險品運輸底盤有總質量限制，料倉結構強度提升后造成載料量下降過多也不符合經濟效益；所以既減輕裝備質量、增加物料裝載質量，又能滿足強度使用要求尤為重要。

本研究簡述一款混裝車乳化基質料罐的輕量化結構設計、料罐材料選擇，并對設計的箱體進行材料和結構強度驗證［2-3］。

2 模型建立及有限元分析

2.1 箱體結構簡介

該乳化基質料罐如圖1所示，長度為3 175 mm，寬度為2 295 mm，高度為2 250 mm。箱體和支架材料是采用2種鋁合金材料焊接而成，所有拼接部位全部滿焊。

原始模型使用SolidWorks2013建立模型，使用Rhinoceros CAD軟件將實體模型轉換為表面模型，為有限元建模做準備。

圖1為乳化基質罐體的縱向剖視圖，罐體內部分2個獨立的倉，中間隔開，倉的容積依據炸藥配方比例設計，存儲的量不一樣；2個倉可同時裝滿基質，也可以分開獨立使用，倉底部設計成坡度錐形向罐體底部匯聚，出料口就設置的在最底部，便于基質排空。

2.2 建立有限元模型

乳化基質罐的有限元模型是根據Rhinoceros CAD幾何模型生成，由大型有限元分析軟件Strand7建立，模型由一個4節點的四邊形主導板/殼單元網格組成，網格代表了乳化基質罐的外殼、底部支架、防溢出槽。乳化基質罐的底部支架安裝到混裝車大梁，使用剛性連接進行建模。

用于乳化基質罐分析的有限元模型如圖2所示。乳化基質和硝銨粒料罐的有限元模型質量列于表1，表1中滿載質量包含罐體質量。

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乳化基質罐有限元模型由67 868個板殼單元、181個剛性桿件、2個釘桿件和67 623個節點組成。檢查網格質量和密度，確定適合模型。

2.3 材料特性

乳化基質罐使用的鋁合金材料分2種:用于底部支架、安裝板和水平約束點連接支架，機械性能與EN-AW 5083-H34級鋁相同；其余罐壁和結構部件使用EN-AW 5083-O/H111級鋁。用于有限元分析對比的乳化基質罐鋁材力學性能表見表2。

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在有限元分析中采用雙線性應力應變曲線表征5083-O/H111級鋁的非線性材料性能。

雙線性應力應變曲線以2條直線段描述材料的應力—應變關系，見圖3。此模型適用于各向同性材料的小應變問題，包括大多數金屬材料。

雙線性應力應變簡化公式和模型如下。

式中，σ為應力，MPa，N/mm2；E為彈性模量，MPa，N/mm2；E1為屈服彈性模量，GPa；ε為應變，無量綱常用百分數表示；εs為屈服極限應變；σs為屈服極限應力，MPa。

2.4 載荷和工況邊界條件

進行有限元模擬分析主要是計算乳化基質罐固定在底盤上后，在滿載情況下靜置、移動運輸和正常使用過程中，遇到極端工況下乳化基質的變形和應力情況，對結構的強度驗證和后續更改提供幫助。

經過對比歐洲關于危險貨物國際公路運輸的協議2012版（簡稱ADR）中6.8.2.1.2節內容［4］和國家標準道路運輸液體危險貨物罐式車輛第一部分金屬常壓罐體技術要求5.2.2.2項［5］，二者標準是近似的，這里以ADR標準進行舉例說明。

（1）在最大允許負荷下，儲罐及其緊固件應能在最大允許載荷下吸收下列因素產生力量；在行進方向:載荷質量的2倍；與運動方向成直角的總質量；垂直向上為總質量；垂直向下為2倍的總質量。

（2）罐形容器及其緊固件在最大允許載荷下，應能吸收與下列所施加的相等的力。在運動方向為總質量的2倍；水平方向與運動方向成直角時為總質量（當運動方向不確定時，為各方向總質量的2倍）；垂直向上為總質量；垂直向下為總質量的2倍。

ADR協議的描述是要求計算本罐體在運輸工況中所承受的慣性力載荷時，最大質量為最大允許裝載的乳化基質質量，計算罐體和附件連接在底盤上的運輸工況中承受慣性力載荷時，最大質量為最大允許裝載的乳化基質質量、罐體質量、附件質量之和。各工況為在前進方向進行加速行駛和緊急制動，過彎時的離心力，顛簸時向上的慣性載荷以及向下的慣性載荷；下面以罐體空載和兩個獨立罐滿載乳化基質量以及依據ADR要求列出運動工況載荷進行列表說明，表中X、Y、Z代表三維空間坐標，+、-代表方向。

2.4.1 空罐體載荷

將ADR中規定的定向載荷相對應的空罐體應用于表示空載的乳化基質罐的有限元模型。表3總結了空載罐體載荷情況。

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2.4.2 裝載載荷

在罐體上施加正壓載荷，模擬ADR要求的定向載荷相對應的乳化基質靜壓力分布。基質靜壓分布選擇計算的產品密度為1 350 kg/m3。荷載情況總結在表4中。

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在系統內設置：①雙線性應力應變曲線假設極限強度發生在20%應變時；②完全反向應力（應力幅度）。

2.4.3 約束條件

對于乳化基質罐，在底部支架底板螺栓連接上施加平移約束（DX，DY）。在底部支架的底部應用彈性支撐，以防止垂直方向（DZ）的移動。對于代表頂部連接限位支點的剛性桿件，采用DX、DY和DZ組合水平剛性彈簧模擬栓接。

2.4.4 組合荷載

根據上述中描述規定的設計荷載，基于空載和滿載的線性疊加產生組合荷載。組合結果情況見表5。

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2.5 分析

對乳化基質儲罐有限元模型進行了考慮材料非線性特性的靜力結構分析。計算結果中列舉了結構位移量等值線圖和馮米斯等效應力等值線圖（圖4~圖10），馮米斯應力沒有力的方向性指標，屬于標量，使用應力等值線來表示模型內部的應力分布情況，它可以清晰地描述出一種結果在整個模型中的變化，從而快速地確定模型中的最危險部分。由于篇幅原因只取幾幅冠梁數值較大圖形作為展示說明。

（1）在行進方向為載荷質量的2倍。

（2）與運動方向成直角的總質量；罐體基本對稱取一個方向等值線圖展示。

（3）垂直方向為總質量。

（4）垂直向下為總質量的2倍。

2.6 分析結果

2.6.1 變形撓度和應力

變形撓度和應力結果總結在表6中。

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在這個分析中，忽略了螺栓連接附近的局部應力。模型未考慮受拉螺栓、結構、底板表面接觸和摩擦受力。

2.6.2 結果總結

根據表6中計算總結的最大變形撓度和應力值，可以看出2.0g水平載荷（-X）（混裝車在行駛中緊急剎車）的工況為最為嚴重的載荷工況，應力值為145 MPa，分析載荷峰值應力超過了5083-O/H111級鋁的屈服應力，但小于5083-O/H111級鋁5×108次循環時的疲勞應力幅值150 MPa。

生產建議如下。

（1）焊接結構板和截面的連接應采用與連接構件最小厚度強度相當的全焊透對接焊縫或連續角焊縫。

（2）底部支架安裝板和水平約束桿連接支架應使用與EN-AW 5083-H34級鋁相同的結構板和截面。

（3）所有剩余的結構部件應使用相當于EN-AW 5083-O/H111級鋁的結構板和截面。

（4）為保證固定螺栓的牢固可靠，所有連接用的固定螺栓設置相應的擰緊力矩。因為不同的人擰螺栓時所用的力不同，有時光憑感覺不可靠。

3 結論與建議

對乳化基質罐結構進行有限元分析得出，本設計符合ADR 2012標準第6.8.2.1.2節對設計荷載條件的要求。乳化基質箱在正常運輸和作業情況下不會發生破壞。乳化基質罐結構設計完成后的驗證，實物驗證存在成本高、安全風險和耗時長的問題，本研究介紹的鋁合金為原料的乳化基質箱體達到了輕量化的目的，同時使用有限元進行模擬仿真分析方法大幅降低了現場混裝炸藥車的原料罐體結構強度設計驗證的成本，縮短了設計到產品定型的時間。