现场混装车的一种轻量化料仓及数字化验证

叶德宏 姜祖勇

（江苏澳瑞凯板桥矿山机械有限公司）

随着工业散装炸药在国内的不断推广应用，现场混装炸药车在国内民用爆破行业的保有量也越来越多，目前全国各种类型的现场混装炸药车保有量超400台。作为工业散装炸药技术推广应用的重要一环，现场混装炸药车不仅作为炸药原料装载运输的单元，又是进行现场装药的核心设备。

1 概述

现场混装炸药车（下称“混装车”）除了进行公路运输远程投递外，更多时间在矿山道路和爆破作业平台上行驶作业；混装车能够稳定安全的工作，特别是承载主要原料和输送设备的箱体能够满足复杂恶劣的路况和使用过程中的各种工况，在正常设计使用年限内不会因箱体设计的结构和强度问题，出现箱体变形、破损、结构件断裂等现象，进而造成各种生产问题和安全隐患，这就对原料罐体的结构强度设计提出了很高的要求［1］。同时上路行驶的危险品运输底盘有总质量限制，料仓结构强度提升后造成载料量下降过多也不符合经济效益；所以既减轻装备质量、增加物料装载质量，又能满足强度使用要求尤为重要。

本研究简述一款混装车乳化基质料罐的轻量化结构设计、料罐材料选择，并对设计的箱体进行材料和结构强度验证［2-3］。

2 模型建立及有限元分析

2.1 箱体结构简介

该乳化基质料罐如图1所示，长度为3 175 mm，宽度为2 295 mm，高度为2 250 mm。箱体和支架材料是采用2种铝合金材料焊接而成，所有拼接部位全部满焊。

原始模型使用SolidWorks2013建立模型，使用Rhinoceros CAD软件将实体模型转换为表面模型，为有限元建模做准备。

图1为乳化基质罐体的纵向剖视图，罐体内部分2个独立的仓，中间隔开，仓的容积依据炸药配方比例设计，存储的量不一样；2个仓可同时装满基质，也可以分开独立使用，仓底部设计成坡度锥形向罐体底部汇聚，出料口就设置的在最底部，便于基质排空。

2.2 建立有限元模型

乳化基质罐的有限元模型是根据Rhinoceros CAD几何模型生成，由大型有限元分析软件Strand7建立，模型由一个4节点的四边形主导板/壳单元网格组成，网格代表了乳化基质罐的外壳、底部支架、防溢出槽。乳化基质罐的底部支架安装到混装车大梁，使用刚性连接进行建模。

用于乳化基质罐分析的有限元模型如图2所示。乳化基质和硝铵粒料罐的有限元模型质量列于表1，表1中满载质量包含罐体质量。

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乳化基质罐有限元模型由67 868个板壳单元、181个刚性杆件、2个钉杆件和67 623个节点组成。检查网格质量和密度，确定适合模型。

2.3 材料特性

乳化基质罐使用的铝合金材料分2种:用于底部支架、安装板和水平约束点连接支架，机械性能与EN-AW 5083-H34级铝相同；其余罐壁和结构部件使用EN-AW 5083-O/H111级铝。用于有限元分析对比的乳化基质罐铝材力学性能表见表2。

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在有限元分析中采用双线性应力应变曲线表征5083-O/H111级铝的非线性材料性能。

双线性应力应变曲线以2条直线段描述材料的应力—应变关系，见图3。此模型适用于各向同性材料的小应变问题，包括大多数金属材料。

双线性应力应变简化公式和模型如下。

式中，σ为应力，MPa，N/mm2；E为弹性模量，MPa，N/mm2；E1为屈服弹性模量，GPa；ε为应变，无量纲常用百分数表示；εs为屈服极限应变；σs为屈服极限应力，MPa。

2.4 载荷和工况边界条件

进行有限元模拟分析主要是计算乳化基质罐固定在底盘上后，在满载情况下静置、移动运输和正常使用过程中，遇到极端工况下乳化基质的变形和应力情况，对结构的强度验证和后续更改提供帮助。

经过对比欧洲关于危险货物国际公路运输的协议2012版（简称ADR）中6.8.2.1.2节内容［4］和国家标准道路运输液体危险货物罐式车辆第一部分金属常压罐体技术要求5.2.2.2项［5］，二者标准是近似的，这里以ADR标准进行举例说明。

（1）在最大允许负荷下，储罐及其紧固件应能在最大允许载荷下吸收下列因素产生力量；在行进方向:载荷质量的2倍；与运动方向成直角的总质量；垂直向上为总质量；垂直向下为2倍的总质量。

（2）罐形容器及其紧固件在最大允许载荷下，应能吸收与下列所施加的相等的力。在运动方向为总质量的2倍；水平方向与运动方向成直角时为总质量（当运动方向不确定时，为各方向总质量的2倍）；垂直向上为总质量；垂直向下为总质量的2倍。

ADR协议的描述是要求计算本罐体在运输工况中所承受的惯性力载荷时，最大质量为最大允许装载的乳化基质质量，计算罐体和附件连接在底盘上的运输工况中承受惯性力载荷时，最大质量为最大允许装载的乳化基质质量、罐体质量、附件质量之和。各工况为在前进方向进行加速行驶和紧急制动，过弯时的离心力，颠簸时向上的惯性载荷以及向下的惯性载荷；下面以罐体空载和两个独立罐满载乳化基质量以及依据ADR要求列出运动工况载荷进行列表说明，表中X、Y、Z代表三维空间坐标，+、-代表方向。

2.4.1 空罐体载荷

将ADR中规定的定向载荷相对应的空罐体应用于表示空载的乳化基质罐的有限元模型。表3总结了空载罐体载荷情况。

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2.4.2 装载载荷

在罐体上施加正压载荷，模拟ADR要求的定向载荷相对应的乳化基质静压力分布。基质静压分布选择计算的产品密度为1 350 kg/m3。荷载情况总结在表4中。

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在系统内设置：①双线性应力应变曲线假设极限强度发生在20%应变时；②完全反向应力（应力幅度）。

2.4.3 约束条件

对于乳化基质罐，在底部支架底板螺栓连接上施加平移约束（DX，DY）。在底部支架的底部应用弹性支撑，以防止垂直方向（DZ）的移动。对于代表顶部连接限位支点的刚性杆件，采用DX、DY和DZ组合水平刚性弹簧模拟栓接。

2.4.4 组合荷载

根据上述中描述规定的设计荷载，基于空载和满载的线性叠加产生组合荷载。组合结果情况见表5。

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2.5 分析

对乳化基质储罐有限元模型进行了考虑材料非线性特性的静力结构分析。计算结果中列举了结构位移量等值线图和冯米斯等效应力等值线图（图4~图10），冯米斯应力没有力的方向性指标，属于标量，使用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，它可以清晰地描述出一种结果在整个模型中的变化，从而快速地确定模型中的最危险部分。由于篇幅原因只取几幅冠梁数值较大图形作为展示说明。

（1）在行进方向为载荷质量的2倍。

（2）与运动方向成直角的总质量；罐体基本对称取一个方向等值线图展示。

（3）垂直方向为总质量。

（4）垂直向下为总质量的2倍。

2.6 分析结果

2.6.1 变形挠度和应力

变形挠度和应力结果总结在表6中。

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在这个分析中，忽略了螺栓连接附近的局部应力。模型未考虑受拉螺栓、结构、底板表面接触和摩擦受力。

2.6.2 结果总结

根据表6中计算总结的最大变形挠度和应力值，可以看出2.0g水平载荷（-X）（混装车在行驶中紧急刹车）的工况为最为严重的载荷工况，应力值为145 MPa，分析载荷峰值应力超过了5083-O/H111级铝的屈服应力，但小于5083-O/H111级铝5×108次循环时的疲劳应力幅值150 MPa。

生产建议如下。

（1）焊接结构板和截面的连接应采用与连接构件最小厚度强度相当的全焊透对接焊缝或连续角焊缝。

（2）底部支架安装板和水平约束杆连接支架应使用与EN-AW 5083-H34级铝相同的结构板和截面。

（3）所有剩余的结构部件应使用相当于EN-AW 5083-O/H111级铝的结构板和截面。

（4）为保证固定螺栓的牢固可靠，所有连接用的固定螺栓设置相应的拧紧力矩。因为不同的人拧螺栓时所用的力不同，有时光凭感觉不可靠。

3 结论与建议

对乳化基质罐结构进行有限元分析得出，本设计符合ADR 2012标准第6.8.2.1.2节对设计荷载条件的要求。乳化基质箱在正常运输和作业情况下不会发生破坏。乳化基质罐结构设计完成后的验证，实物验证存在成本高、安全风险和耗时长的问题，本研究介绍的铝合金为原料的乳化基质箱体达到了轻量化的目的，同时使用有限元进行模拟仿真分析方法大幅降低了现场混装炸药车的原料罐体结构强度设计验证的成本，缩短了设计到产品定型的时间。