液体箱的强度分析与设计

沙鹏

摘  要：液体箱凭借其较大的体积容量、较高的安全可靠性能和较灵活便捷的运输方式，在多式联运和工业生产过程中得到了越来越广泛的应用。在此背景下，该文探究了液体箱强度计算标准，在分析有限元结构的基础上，对液体箱的设计标准、规范及设计条件进行了综述，并探讨了它优化参数的确定方法和材料的选择，进而对液体箱的框架结构设计进行深入探讨，旨在为液体箱强度分析和设计水平的稳步提升提供更多参考。

关键词：液体箱;强度分析;优化设计

中图分类号： TE28        文献标志码：A

0 引言

当前我国工业经济社会飞速发展，液体箱在液体运输和气体储存与移动式运输等诸多方面有较广泛的应用，凭借其投资额度小、实际装载能力大、运输安全性能高和成本效益强等诸多优势，得到了各行各业的广泛青睐。其具有较高的安全可靠性、稳定性和足够的强度，更是保证液体危险品安全运输的重要支撑。在考虑液体箱结构设计和实际使用过程中复杂度不断提升这一基本前提下，液体箱的设计往往参照ISO标准进行规范分析，液体箱的框架结构设计、强度设计以及罐体连接部位设计应用水平不断提升，但强度分析与优化设计仍旧存在一定问题，因此，对液体箱的强度分析与优化设计进行深入探讨与研究有其必要应用价值。

1 液体箱强度计算判据

不论是在液体箱的规则设计，还是在液体箱的应力结构分析过程中，强度计算判断依据都主要涉及材料应力设计和结构应力设计两大部分内容。在液体箱的正常运输过程中，当液体箱处于惯性力荷载作用时，罐体、罐体框架甚至连接部位的材料屈服强度除以1.5计算，即：许用应力 = Re/1.5 ，尽可能地保证液体箱连接部位在惯性力荷载下正常工作。在液体箱的应力分析和强度判断过程中，根据液体箱检验标准和相关依据可知，液体箱的板壳单元实际应力判断对象中心为单元中心点，且应选择表面应力值的最大合成值。

在我国，罐式集装箱的相关检验标准和规程中明确指出，罐式集装箱的有限元计算规则主要依赖于板、壳单元的分类，判断对象应该为罐式集装箱的单元中心点和表面应力值的最大合成值。也就是说，罐式集装箱有限元板、壳单元的应力表面弯曲应力值和中部应力值的平均合成值大小，即为罐式集装箱应力值大小的最终确定。在此过程中，罐式集装箱应力值最终合成过程中的平面y方向的合成正应力与单元平面x方向的合成剪应力，最终得到最大合成应力。在惯性力条件下，罐式集装箱的整体或部分单元的危險截面最大合成应力值大小应满足相关条件。与此同时，根据国家关于钢制压力容器分析的相关标准和规程可知，以弹性计算为基础计算原理的压力容器分析过程中依照塑性失效准则、弹塑性失效准则，应分别采用应力分类的方式精确计算，实际评定办法主要根据板壳结构评定方法相互区分。对罐式集装箱来说，当罐式集装箱的一次薄膜应力强度许用值已知时，局部薄膜应力强度的使用值为总体薄膜应力强度许用值的1.5倍，而一次薄膜加一次弯曲应力强度的许用值应为一次总体薄膜应力强度许用值的1.5倍，一次加二次应力强度许用值应为一次总体薄膜应力强度许用值的3倍。进一步分析可知，罐式集装箱的支座局部、框架局部以及罐式集装箱罐体和框架连接处局部往往为高压应力区，同一高压应力区应严格按照相关标准评定。由于罐式集装箱检验规范中，进一步将应力值控制在许用应力值范围内，而按照JB4732标准计算时，上述局部高应力区往往存在着二次应力的情况，因此，其总应力必须控制在3倍许用应力范围内，由此可知，罐式集装箱检验标准规范强度要求过高，较一般情况下的力学估计和验算过于保守，从而造成罐式集装箱内壁厚度往往较大，造成材料、人力、物力等的浪费，也进一步增加了罐式集装箱的整体质量，造成运输类设备的浪费。最后，由于罐式集装箱的各部件往往大多采用塑性、韧性较好的材料，而罐式集装箱局部发生塑性变形时，并不会引起罐式集装箱的整体效能失去，因此，采用JB4732分析方法对罐式集装箱进行设计，能在一定程度上降低罐式集装箱设备成本，也能满足罐式集装箱工业生产和运输要求，具备较强的科学性与合理性。

2 有限元分析

在对液体箱的强度设计进行应力分类研究时，研究人员须在应力分析前对液体箱进行有限元分析，从而得到液体箱的整体应力分布图，并给予线性化处理。在液体箱的有限元分析过程中，可利用节点在液体箱单元外表面、内表面甚至中间面的各项应力分量，计算出液体箱薄膜应力和整体弯曲应力值，进而根据薄膜应力值和弯曲应力值直接计算液体箱实际探查位置的薄膜应力大小，研究液体箱内外壁的薄膜应力强度和相当应力大小。

在对液体箱的实体单元进行有限元分析时，可借助积分理论对其有限元进行处理探究。可借助壁厚大小值对不同应力分量进行积分，从而确定液体箱的薄膜和实际弯曲应力值分量大小，由此计算出液体箱应力处理线上薄膜的应力大小和内外壁薄膜弯曲应力值大小[1]。

在此基础上，该文利用三维设计软件建立了液体箱的实体模型。在导入相关软件分析液体箱实体模型图的基础上，对实体模型图进行网格划分，得到有限元网格模型。以液体箱的4个底部角件部位全约束为主要条件，将不同情况下的不同荷载分布加载于液体箱对应位置，从而经过软件计算，按照液体箱受到内压力、重力和运动方向惯性力这一基本受力情况施加荷载时，根据液体箱整体部位应力图和液体箱框架结构应力分布图可知，不同工况下的液体箱整体应力变化值并不大，而液体箱的框架、连接支架等应力变化往往较大。同时，液体箱的应力往往由内压决定，整个液体箱框架和连接支架的实际应力则受到外在惯性力较明显的影响。

3 液体箱的优化设计

3.1 设计标准、规范及设计条件

罐式集装箱的结构应力分析和强度设计主要采用第四强度理论。在罐式集装箱的许用应力设计过程中，选择某一标准确定罐式集装箱的许用应力是罐式集装箱强度结构设计面临的重要问题。国家相关标准明确指出，罐式集装箱整个罐体承受压力荷载时，必须采用规则设定的罐体材料计算许用应力和结构应力，且严格按照相关国家规范采取和选用。当采用分析设计的罐式集装箱方式时，材料设计应力强度和许用应力必须按照国标4732选择。一般来说，罐式集装箱的实际工作温度往往为-40 ℃～50 ℃，整个罐式集装箱的表面工作压力往往为0.1 MPa～1.97 MPa。

3.2 设计参数的确定

由于通常情况下的液体箱工作温度为-40 ℃～50 ℃，而根据IMDG（国际海运危险货物规则）标准可知，其设计温度不应低于50 ℃，因此，该文所研究设计的液体箱优化设计最高温度为55 ℃，最低设计温度为-40 ℃。该文所设计的液体箱设计压力为4 bar。与此同时，进一步探究罐式集装箱的等效压力、计算压力、单位容量充装量、水压试验以及气密性试验压力等，该文所优化设计的液体箱水压试验压力值为6 bar，气密性试验压力值为1 bar。

就罐式集装箱运输过程中的等效压力和计算压力问题来说，由于罐式集装箱承受整个内部介质对其各个部分所产生的各个方向的惯性力，也就存在着不同运动方向，甚至与运动方向相互垂直的水平方向等应力值不同。通过相关计算可知，罐式集装箱运动方向上的惯性力荷载为2 g，与运动方向相垂直的水平方向惯性力荷载为1 g，垂直向上方向惯性力荷载为1 g，垂直向下方向惯性力荷载为罐式集装箱最大质量的2 g[2]。等效计算罐式集装箱运输过程中的压力值，应取各个方向上的惯性力除以所对应力的罐式集中箱所有有效截面值中的最大值。根据计算可知，纵向运动方向上两个的惯性力荷载转变为0.06 MPa，也就是说，罐式集装箱的整个计算压力值为2.26 MPa。就罐式集装箱的单位容积充装量问题而言，由于液化气液体的罐式集装箱单位容积充装量应满足其所装介质50 ℃时，罐式集装箱罐体内部至少保留5%左右的气相空间。同时，由于50 ℃温度条件下的罐式集装箱内部介质实际重量不应超过罐式集装箱所允许的最大承载力大小。此外，还应进一步确保罐式集装箱罐体在60 ℃的温度条件下不全部充满液体。因此，该文所论述的罐式集装箱单位容积充装量为530 kg/m3。

3.3 材料的选择

在选择液体箱材料材质的过程中，由于液体箱所输送介质的特殊性，液体箱在实际运行过程很容易受到周围环境及空气的污染，持续的拉应力很容易对液体箱材料造成损害，因此，在选择材料时，应避免选用较高强度的钢材，盡可能地采用屈服强度小于355 MPa的材料，且应尽可能地选用低温钢，保证材料使用状态为正火状态或正火+回火状态，尽可能地降低周围环境和不良运行条件对液体箱的损害。

3.4 框架设计

在液体箱的框架结构加强设计过程中，借助其连接，强化罐体两端端头的焊接，加强对两端端框的支撑设计，不断提高连接框架和罐体部分的紧密程度。与此同时，保证液体箱框架结构尺寸符合ISO相关标准及行业标准，在液体箱有限元分析过程中，确保框架结构强度满足横向要求、竖向要求、垂直向上要求和垂直向下的惯性力荷载要求，确保液体箱各模块荷载承受强度评定等级为安全。此外，针对特殊运送条件的液体箱，其有限元分析还应通过ISO1496-3 标准中所要求的堆码试验、吊顶试验等各项力学试验，确保液体箱底部角柱和角件焊接完成后的承载力符合相关标准，更应保证框架部分对罐体甚至液体箱阀件的良好防护作用，避免在使用液体箱的过程中外界突发事件冲击力对液体箱的破坏。

4 结语

在液体箱的优化设计过程中，必须遵循ISO 相关规范和行业标准，实现液体箱强度结构设计和外在条件保护，充分发挥其自重较小、安全性能较高和容积较大等诸多优势，为工业经济的腾飞做出应有的贡献。

参考文献

[1]朱迪飞，陈卫峰，丁春雄.无水液氨罐式集装箱箱设计[J].化工设计，2020（2）：149-151.

[2]刘元勇，冯延伸，陈明华.罐式集装箱的强度分析[J].制造业自动化，2015（4）：115-118.