铝合金液罐车局部损伤分析与维修

谢显亮 刘现允

摘 要：随着铝合金罐车在成品油运输行业的广泛应用，罐车局部损伤与维修问题也逐渐成为一个新的行业热点。由于铝合金材料的自身特性及焊接时的环境要求有别于碳钢材料，故维修市场上基于碳钢罐车的维修经验，应用于铝合金液罐车并不适用，经常出现维修后，车辆经短期使用又发生二次损伤的问题。针对这一状况，本文以一款铝合金运油半挂罐车鞍座位置罐体损坏原因分析及维修方案确认为例，系统阐述铝合金运油半挂罐车局部损伤后的原因研究与维修方案制定流程。同时针对维修后使用情况进行长期跟踪记录，以理论验证与实践验证相结合的方式，验证维修方案的可行性。

关键词：铝合金液罐车;车架;经典力学

0 引言

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。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。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。

1 罐体模型的建立

1.1 划分单元网格

在划分网格之前，首先指定单元类型。罐体和车架均是一系列薄壁件组成的结构，宜离散为板壳单元SHELL63单元和BEAM3单元。依据实际的结构件确定单元网格的大小，并可根据实际情况对不同构件或同一构件的不同部分进行不同单元大小的网格划分。

1.2 模型采用的坐标和结构简化处理

在前筒位置为坐标原点，前筒直径2000mm的圆筒，后筒直径2300mm的圆筒。负Y向为重力方向。在真实反映罐体主要力学特性的前提下，尽可能选取较少的节点和单元，焊接小件等建模时忽略不计。以壳单元模拟罐体圆筒、锥筒、椭圆封头，防波板、翼板底板、腹板、后支座、横梁。将支撑筋，加强槽钢等简化为梁。建模时：翼板和垫板与筒体焊接在一起时，忽略焊接的影响，在有限元建模时，该位置厚度为两层板厚度之和。

2 有限元模型

2.1 载荷与边界条件

载荷：液体对罐体压力、自重。

边界条件：约束牵引销处全部自由度，约束悬挂处上下、左右的自由度。

2.2 整车设计参数

该车为道路运输三轴液体罐式半挂车，运输介质为汽柴油，该半挂车总质量：40000kg，整备质量：10500kg，满载质量：29500kg，轴距：6740+1305+1305mm，前悬/后悬：1450mm/1500mm，挂车外廓尺寸为12300mm×2500mm×3750mm。罐车属于非承载式半挂车，车架采用铝合金材质，型号5083H111，抗拉强度极限275MPa，屈服极限125MPa;副车架材料Q345A，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。

3 计算与分析

一般引起机械结构损伤的涉及静态、动态、撞击三类设计因素，静态设计是针对结构的强度和刚度;动态设计是针对使用寿命的疲劳特性，撞击设计是针对操作或碰撞过程的能量吸收。从损伤的情况可以判断损伤原因为静态或动态设计因素导致的。对于哪一种是导致损伤的主要原因，笔者采用排除法，先利用有限元单元法对罐车模型进行静态设计因素分析。

3.1 静态数据分析

有限元模型的简化：a.不考虑罐内液体的晃动对结构的影响;b.附件如管路箱、备胎、罐顶围框等，相对总质量较小予以省略。同时对牵引座上部罐体结构进行局部细化，以保证计算精度。模型单元数量为320244，节点数量为352793。

3.1.1 静载工况

车辆在静载荷工况下，外部支撑处、防波板背部加强环处、防波板下过油孔处应力云图。静载工况下，支撑角件根部最大应力为93MPa，加强环最大应力为83MPa，过油孔边缘最大应力56MPa。

3.1.2 扭曲工况

车辆在扭曲工况下，外部支撑处、防波板背部加强环处、防波板下过油孔处应力云图。扭曲工况，支撑角件根部最大应力为123MPa，加强环最大应力为117MPa，过油孔边缘最大应力为98MPa。

3.2 损伤原因分析

疲劳损伤通常是由高应力点产生最初裂纹导致的。一般在恒定负载情况下，裂纹会保持稳定状态。但疲劳应力在周期应力频繁变化、波动的情况下会增大，当裂纹以外的剩余截面不能够充分承担施加的峰值负荷，损坏就会发生。在结构上疲劳损伤一般多发生在几何形状的突然变化点、结构中突然出现的断点、熔焊的焊趾和焊根、紧固件螺纹的根部、机械损坏产生的断点、焊接缺陷处、因腐蚀引起的凹坑处等位置。比对罐车与牵引车鞍座连接的位置附近结构件损伤的情况可发现，此位置为罐体上的高应力区，同时受路况影响，所受应力频繁变化波动。牵引车鞍座对应的外部支撑角件根部损伤为沿焊接结合处裂纹，应为高应力区里熔焊的焊趾位置发生的疲劳损伤。罐内防波板下过油孔边缘处损伤为横向焊接结合处裂纹，应为高应力区里焊接缺陷处发生的疲劳损伤。罐内防波板背部加强环处损伤为沿焊接结合处裂纹，应为高应力区里结构中突然出现的断点处发生的疲劳损伤。

4 结语

建立车架有限元模型，进行满载工况的静力学分析，对比分析结果和经典力学计算结果，从而验证有限元模型的正确性。有限元分析结果表明，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，铝合金车架的重量减轻约30%，从而大幅增加有效载荷，提高运输效率。因此，铝合金材质在专用汽车零部件及整车结构中将发挥巨大价值，应用前景广阔。

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