谢忠辉

（东莞市永强汽车有限公司，广东东莞 523400）

0 引言

图1 液罐车实物结构图

液体罐式运输车主要是通过车辆上自带的罐式容器，将介质从一个地方运输到另一个地方的运输车辆（图1）。有些罐式运输车还自带多种功能模块，能完成不同的专用功能，比如飞机运加油车等。罐式运输车有多种，而使用最多的却是运输危险液体的危险品液罐运输车。由于液体像汽柴油都存在蒸汽且温度高会发生膨胀，一般危险品液罐车均保有5%的膨胀容积。而液罐运输车，特别是大容量的液罐车在曲线、加速、减速、坡道行驶时，在未装满的情况下，会发生质心转移，影响其行驶稳定性。因此在油罐结构设计时，需采取有效措施，给介质的流动增加阻力，减少液体的质心的过度转移。在实际应用中，主要是在罐内增加阻浪板，可有效减少浪涌对罐体和整个车辆稳定性的影响。本文通过计算机几何学和计算机的图形技术，真实而精确地描述产品的几何特性及各零件之间的相互关系，依据标准GB18564的要求，模拟罐体几种极限工况下对整体的影响，通过动态仿真进行预先检验和修正，分析罐体受力情况及其频率进行分析，增加车辆稳定性[1]。

1 模型建立

1.1 罐体材料的选型

液体罐式运输车运输的介质多种多样，而标准GB18564附录B中危险品能被罐式运输车运输的数量就有36种，罐式车辆作为危险品运输的最大群体，主要承担压缩气体、液化气体及液体物质运输，所运货物性质包括易燃、易爆、腐蚀及毒性等。[2]而主要罐体的材料主要就是铝合金、304不锈钢、316不锈钢。根据介质的不同，可以采用不同的材料。

液罐车经常运输的介质主要是汽柴油。汽柴油本身物理特性比较稳定，对板材腐蚀性较小，但由于其易燃易爆也需要做特别的设计。比如罐内的浪涌的摩擦不能产生大量的静电，否则会让介质爆炸。因此，在大多数的汽柴油运输车上，都是使用铝合金材质作为罐体的材料。铝合金与油摩擦，静电倒除容易，而且质量轻，能使车辆承载的介质增多，具有多种实用价值。而国内液罐运输车的主要使用的铝合金材料为牌号为5083的铝合金，其物理特性如表1所示[3]。

表1 材料属性

1.2 液体罐式运输车UG模型

将液罐车按其功能区分，可分为行走支撑部分的底盘、副车架等结构，用于贮存介质的罐式容器结构，作为安全附件的侧护栏、爬梯、消防装置等。罐体及附件通过螺栓或者其他的活连接方式与底盘连接，底盘对上装的作用力与罐体内部应力综合对车辆的稳定性有决定性的影响。

用CAM软件模拟罐车的工作状态，进行结构静力分析，找出结构应力集中及较大位置以及各部件的固有频率，对液体罐式运输车的设计和改良有很大的指导意义。本文作者选用某公司典型的易燃液体罐式运输车为例进行分析，主要介质是汽柴油，其主要的参数如表2所示。

表2 液罐车参数

根据参考液罐车实车结构，将罐体的结构进行简化，然后进行三维建模工作，模型主要反映的是罐体和主要用于罐体与底盘固定部分的主要结构，如图2所示的易燃液体罐式运输车的罐体UG三维模型。

1.3 有限元模型建立

图2 易燃液体罐式运输车的罐体的UG模型图

在建立模型时，不考虑焊缝对结构强度的影响，将焊缝与各部件看作一个连续体[4]，对罐式运输车的罐体结构进行简化，主要采用壳单元模拟，单元大小约为22 mm，厚度取各自设计值。罐体各质量件按照各部件重量，采用质量单元模拟（图3）。罐体内壁施加垂直于壁面0.2 MPa压强。罐体和底座采用刚性连接，螺栓连接处定义节点耦合进行简化（图4）。整个模型单元共765 953个，节点597 524个。将罐内的15 t介质以7个质量点方式平均分布于罐体（两端封头+5段罐体）的回转中心轴线上，并与罐体内壁耦合。

图3 罐壳整体有限元模型

图4 罐壳内部主要结构有限元模型

2 液罐车模态分析计算工况

2.1 静强度

在标准GB18564.1-2006的5.4.2.2条款中规定，罐体在运输工况中所承受的静态力按下列原则确定。

（1）纵向：最大充装质量乘以2倍的重力加速度；

（2）横向：最大充装质量乘以重力加速度；

（3）垂直向上：最大充装质量乘以重力加速度；

（4）垂直向下：最大充装质量（包括重力作用的总负荷）乘以2倍的重力加速度[5]。

根据如上要求，此处规定静强度计算包含6个工况，如表3所示，此6种工况涵盖了标准要求的方面，并考虑到加速、减速、转弯和颠簸工况。

表3 静强度计算工况

2.2 疲劳工况

疲劳强度计算工况如表4所示。

表4 疲劳强度计算工况

3 液罐车模态分析

3.1 静强度

在整车设计中，会不可避免地存在一些尖角、对接沟槽等，产品应力集中于此，而应力集中部位则是大多数结构失效的原因。在应力集中区域，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。在有限元分析中，通过对罐体不同部位进行应力分量计算并归类，对不同部位的应力分量分别计算其主应力，进而得到各不同部位的应力强度,[6]分析最大应力的部分，能对结构设计及优化提供依据。而根据以上的静强度计算工况，计算所得各种工况的最大应力情况如表5所示，整体的应力大点主要分布在副车架上面，而罐体上的应力相对较小，但各工况的最大应力值都小于材料的屈服强度，因此罐体结构的设计是合理的。

3.2 固有频率

液罐车固有振型有罐车的整体振动和以罐车一个或几个部分振动为主的局部振动两大类。文中主要考虑局部振动模态。根据以上的条件进行计算，液罐车的固有频率计算前六阶如表6所示。

表5 应力统计结果

表6 各部件模态的共振频率

通常，路面不平是汽车振动的基本输入，频率范围[7]约为0.5～25 Hz。解决在随机不平路面激励下，液罐车整车机零部件的振动问题，是提高汽车平顺性、安全性和可靠性的基础。通过液罐车的固有频率计算，其第一阶的固有频率为26.88 Hz，此频率已经大于路面激励，也大于大部分的内在频率，可以确定外界频率的激励对液罐车整车的各阶模型的影响可以忽略。

3.3 疲劳强度分析

疲劳强度计算工况应力统计结果如表7所示，由表7可见，各工况的最大应力均低于DVS 1608-2011规定的相应材料的最大许用应力，利用系数均不大于0.30，具有较高的强度裕量[8]。

表7 疲劳计算工况应力统计结果

4 结束语

根据以上对液罐车罐体的结构分析，可以看出液罐体所选用的铝合金材料和设计的结构强度都能满足实际应用的需要；固有频率的分析说明液罐车的固有频率较高，比路面随机频率高且比液罐车动力结构的频率高，因此外界对其影响较小。总体来说，此型液罐的罐体设计符合整车稳定性的要求。