鋁合金運油半掛車罐體的靜力學分析*

王 雷，管大勝，黃艷平，龔俊杰，韋源源，童任遠

(1.上海承飛航空特種設備有限公司，上海 201600；2.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

罐車是主要用于運輸粉末貨物、液體和液化氣體的罐式容器，以及進行特定作業的專用車輛。罐式運輸車的種類越來越齊全，在運輸業中起到越來越重要的作用[1，2]。為了盡可能減少液體晃動對罐車罐體的影響，需要在罐體內部安裝并焊接防浪板。防浪板的合理布置可以顯著降低不同行駛工況下的液體晃動幅度，對罐車的安全行駛及穩定性具有重要性和必要性。

在罐體的研究上，杜家超等[3]利用有限元分析法建立大型網殼頂數值模型，對諧波變形下大型儲罐網殼頂進行靜力和穩定性分析，研究了在該變形下大型儲罐網殼頂的應力分布特征。石磊[4]以我國某油庫一種原油儲存容器為研究對象，根據實際應力測試的情況，結合理論方法和有限元計算，對該儲罐進行了穩定性分析與強度判定。武剛等[5]為探究原油儲罐在地基諧波沉降作用下的變形響應狀態，采用有限元分析軟件ABAQUS建立了諧波沉降作用下大型原油儲罐的數值仿真模型，模型綜合考慮了地基的影響，能夠較準確地模擬儲罐的真實服役狀態。

在液罐防浪板的研究上，專家學者取得了眾多成果。Akyildiz H等[6]通過改變圓形防浪板的填充量和位置進行液罐橫向晃蕩實驗，結果表明，圓環型防浪板可以顯著降低由液體晃蕩帶來的沖擊載荷。 Akyildiz M H[7]進行大量實驗來研究方形罐體內的液體晃動，并得到了罐體內壁的壓力分布，研究結果表明，防浪板的合理布置可以有效地降低液體沖擊。

本文從罐車靜態測試以及仿真分析的角度對防浪板和罐體進行研究，并對測試結果和仿真結果進行對比，確定罐體和防浪板是否符合強度要求(在許用應力范圍內)，并驗證有限元模型的準確性，為油罐車運輸過程中的安全性提供判斷依據。

1 罐體和防浪板有限元分析

1.1 有限元模型及材料參數

本文以某運油半掛車為研究對象，罐體及防浪板采用鋁合金5083，材料的性能參數如表1所示。罐體壁厚為5 mm，長14.09 m，寬2.986 m，高2.651 m。首先，進行罐體、防浪板和支座的三維建模并完成相應的結構簡化，即填補罐體表面的一些工藝孔、螺栓孔，簡化后的罐車三維模型如圖1所示。采用實體單元劃分網格，單元大小為20 mm，薄壁(罐體)網格為殼體單元。網格劃分后罐車共有2 017 287個節點、939 469個單元，網格質量為0.95。

圖1 罐車三維模型 圖2 施加液高1 750 mm的靜水壓力 圖3 罐體外表面應力云圖

表1 5083鋁合金材料的性能參數

1.2 載荷及邊界條件

首先，對4個支座的底部施加固定約束，限制其6個方向的自由度。然后，對罐體進行靜力學分析，并考慮到罐內液體質量及內壁壓力的影響，對罐體在載重為55 t(液面高度為1 750 mm)的工況進行分析。

對罐體內表面及每塊防浪板的表面均施加靜水壓力，罐體內表面及防浪板的加載如圖2所示。

1.3 有限元分析結果

通過有限元分析，得到罐體在液面高度為1 750 mm時罐體外表面的應力分布云圖和變形云圖，如圖3和圖4所示，受力最大的防浪板(第7塊防浪板)應力云圖如圖5所示，支座的應力云圖如圖6所示。

由圖3、圖4可知，罐體上應力較大區域集中于罐體底部，罐體外表面的應力和變形普遍較小，個別區域應力和變形急劇增大，最大應力值為28.895 MPa，最大變形值為5.621 3 mm。

圖4 罐體外表面變形云圖 圖5 受力最大的防浪板應力云圖 圖6 支座的應力云圖

由圖5可知，防浪板上的最大應力區域出現在第7塊防浪板的底部流水孔處，最大應力值為72.815 MPa。

由圖6可知，支座底部由于設置了固定約束，應力較大，但在實際使用過程中由于輪胎的存在，因此可以不予考慮。

2 罐體靜應力試驗

以罐體結構可能出現應力破壞的區域作為研究對象選取本次靜應力測試的測點位置，罐體左、右兩側測點分布分別如圖7和圖8所示。

圖7 罐體外表面左側測點分布

圖8 罐體外表面右側測點分布

提取罐體外表面測點處的應變值，通過靜應力計算得到罐體外表面的應力值。取各測點的仿真計算值與靜態測試所得應力值進行對比，如圖9和圖10所示。

圖9 罐體外表面右側測點應力值對比

由圖9和圖10可知：載重55 t工況(液面高度為1 750 mm)應力的實驗測試值與有限元計算值基本一致；同時大部分測點的試驗結果略大于仿真計算值，這主要是由于進行有限元建模時對罐車模型進行了必要的簡化，整體模型的質量和剛度相應減小所導致的。

圖10 罐體外表面左側測點應力值對比

通過仿真分析，得到罐體外表面應力較大區域主要分布于罐體底部，其中最大應力發生于測點編號A10處，此處的應力值為28.895 MPa。由于在實際行駛過程中，考慮到制動、追尾等極限狀況，因此罐車的動載荷影響遠大于靜載荷，故罐車在載重55 t時具有較大的安全裕度。

3 結論

結合靜態測試和仿真分析，得到罐體外表面應力較大區域主要分布于罐體底部第三、第四支座處，最大應力值為28.895 MPa；第7塊防浪板的底部流水孔區域應力較大，最大應力值為72.815 MPa。材料為鋁合金5083，許用應力取抗拉強度的1/4，許用應力為73 MPa，可知罐體和防浪板滿足強度要求并有足夠的安全裕度。針對罐車的靜力學分析，結合試驗數據和仿真數據的對比，判斷測點應力的試驗結果與仿真計算值具有較好的一致性，且應力值的相對誤差基本小于10%，驗證了有限元靜力學分析的準確性。