张书斌
(阜阳市农业机械研究所,安徽 阜阳 236000)
摘要：以铝合金液罐车为研究对象，在HyperMesh和Abaqus中建立整车的有限元模型，基于静力学仿真分析，得到罐车在静止、制动及转弯工况下的应力分布云图及位移分布云图，结果表明：罐车强度和刚度均满足设计要求。
关键词：铝合金液罐车；制动；强度
环境污染和资源消耗已成为全球性问题。减轻车辆自重、降低油耗、提高运输效益等措施成为政府、科研院校、用户及企业普遍关心的问题[1]。铝合金以其质量轻、耐腐蚀性强、抗冲击性好等特点，在专用汽车产业逐渐得到广泛应用。但硬度低、抗磨性不佳、易磨损等缺陷，使其不适合用于经常活动的部位[2-4]。如何设计出合理的结构以弥补材质缺陷，成为众多车企关注的重点。近年来，越来越多的专家学者应用数值分析技术对铝合金结构进行分析和研究，并取得了理想的结果。
笔者基于已有研究成果，建立完整铝合金液罐车车架有限元模型，对整车静止、制动及转弯进行分析。
1.1 整车设计参数
该车为道路运输三轴半挂化工液体罐式车辆，运输介质为汽柴油，该半挂车总质量为40 000kg，整备质量为10 500kg，满载质量为29 500kg。筒体采用铝合金材质，型号5083H111，抗拉强度极限275MPa，屈服极限125MPa；车架材料Q345，抗拉强度520MPa,屈服强度345MPa，断后伸长率A≥21%。悬架采用钢板悬架,板簧片数为10片。整车结构图如图1所示。
1.2 网格划分
为使计算简单合理，在不影响总体强度和刚度的情况下，忽略焊缝、焊接小部件、孔等结构对强度的影响。整车采用板壳单元建模，既可以承受法向载荷，也可承受面内张力载荷，单元的每个节点具有6个自由度，网格平均尺寸20mm。整个有限元模型划分后共有1 704 961个单元，1 716 148个节点。
图1 整车结构图
1.3 载荷与边界条件
罐车主要承受自重、货物重及惯性力载荷的作用。由于多种载荷联合作用，所以采取逐步施加载荷的方法，第一个载荷步施加由于罐车自重产生的重力载荷，即在竖直方向上施加加速度大小为9.8m/s2的惯性载荷；第二个载荷步施加液体自重，本文采用了液体压强的方法加载，即将满载时液体总质量，采用均布载荷方式施加在罐体底面上；第三个载荷步施加惯性力载荷，根据不同的工况将相应惯性力施加在不同的部位。
对于不同的工况，用不同的约束条件。半挂车依靠牵引销支撑在牵引车的牵引座上，可简化为一个刚性支撑进行全约束。后支座由三桥组成，是超静定结构，依靠车桥支座支撑在车桥上。其中各轮支承刚度直接影响其支承反力，本计算考虑综合因素，约束悬挂处前进方向和垂直向上的自由度，图2为整车有限元模型图。
图2 有限元模型图
1.4 计算工况
液罐车在实际工作中，由于装载量不同，行驶工况不同，所产生的应力也不同。考虑到最不利的情况，以满载工况进行计算。依据国标GB 7258-2012 《机动车运行安全技术条件》的相关规定，本文对3种工况进行分析。
1)满载匀速行驶时，载荷由结构自重加上液体质量组成；
2)紧急制动时，取制动加速度为5m/s2，载荷由结构自重、液体质量及惯性力组成；
3)当半挂车转弯时，取制动加速度为5m/s2，载荷由结构自重、液体质量及惯性力组成。
1.5 结果分析
根据以上建立的有限元分析模型，施加载荷和边界条件后，用ABAQUS有限元软件进行计算求解，得到各工况下罐体及车架结构的应力与位移云图，如图3～图8所示。
图3 静止工况应力云图
图4 静止工况位移云图
从3种工况的应力云图可以看出，整车应力分布均匀，无明显应力集中现象。静止工况下，筒体最大应力98MPa，位于前悬支架处；车架最大应力175MPa，位于第六个悬臂的下端；整车最大位移3.20mm，位于前封头下端。制动工况下，筒体最大应力102MPa，位于牵引销处；车架最大应力229MPa，位于牵引销横梁端部；整车最大位移5.18mm，位于前封头下端。转弯工况下，筒体最大应力123MPa，位于前悬支架处；车架最大应力318MPa，位于前悬支架处；整车最大位移7.85mm，位于筒体后端。该车筒体材质为铝合金5083H111，屈服极限为125MPa。车架材质为Q345，屈服极限为345MPa。因此，3种工况下，筒体及车架的最大应力均小于材料的许用应力，结构强度满足设计要求。
图5 制动工况应力云图
图6 制动工况位移云图
图7 转弯工况应力云图
图8 转弯工况位移云图
3种工况下车架位移云图如图9所示。车架最大位移分别为2.50mm、2.60mm和5.11mm，分别位于牵引销与前支架的中部、马腿支架后部第一个横梁处以及车架后部。车架许用位移[4]为：
ymax=(0.002～0.003)·L
式中：L为纵梁长度，取12 000mm。由此得:
ymax=24～36mm
图9 车架位移云图
因此，车架刚度在满载静止工况下满足设计要求。
本文建立了铝合金液罐车整车有限元模型，并对满载时的静止工况、制动工况及转弯工况进行了分析。分析结果表明，整车应力分布均匀，强度和刚度均满足设计要求。相比于不锈钢和碳钢，铝合金车架的质量减轻约30%，从而大幅增加了整车最大装载质量，提高了运输效率。因此，铝合金材质在专用汽车零部件及整车结构中应用前景广阔。
参考文献：
[1] 刘鸿文.材料力学[M].上海:高等教育出版社,2001:17-40.
[2] 钟佩思,赵丹,孙雪颜.基于ANSYS的汽车车架的建模与模态分析[J].机械设计与制造,2008(6)：52-53.
[3] 徐达,蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京:北京理工大学出版社，1998:320.
[4] 周中坚.机械与汽车构造的有限元分析[M].上海:同济大学出版社，1997.
ZHANG Shubin
(Fuyang Institute of Agricultural Machinery,Anhui Fuyang,236000,China)
Abstract：Taking the aluminum alloy tank as an object,it establishes the finite element model of the vehicle in HyperMesh and Abaqus software.Based on statics simulation analysis,it obtains the stress distribution and deformation distribution under cases such as static condition,braking condition and turning condition with full loaded.The results show that the strength and stiffness meet the design requirements.
Key words：aluminum alloy tank; braking; strength
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.01.003
收稿日期：2016-08-09
作者简介：张书斌(1969—)，男，江苏阜宁人，阜阳市农业机械研究所高级工程师，硕士，主要研究方向为专用汽车的设计与研发。
中图分类号：U469.53.02
文献标识码：A
文章编号：2095-509X(2017)01-0016-03
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