基于有限元的液罐车侧防护装置结构强度分析

摘要：以某型液罐车为研究对象，运用Solidworks建立液罐车侧防护装置三维模型，利用Workbench对侧防护装置在静压力作用下的结构强度进行分析。结果表明，采用铝合金材质的侧防护装置可以满足GB 11567-2017的强度要求。研究结论可为液罐车的设计提供参考。

关键词：液罐车；侧防护装置；结构强度；有限元分析

中图分类号：U463.9 收稿日期：2023-06-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.012

1 前言

随着经济的快速发展，道路交通事故日益频发。据统计，70%～80%的危险货物道路交通事故涉及液罐车[1]，且在该类事故中碰撞和侧翻事故的发生率较高，液罐车发生事故时容易将行人、非机动车以及乘用车卷入车底造成严重的伤亡事故，由此给人民生命财产带来严重的威胁[2-3]。

侧防护装置作为液罐车的重要组成部分，主要用于避免未受保护的道路使用者跌入车辆侧面而被卷入车轮底下[4-5]，因此，研究侧防护装置对于提升液罐车整体被动安全性，减轻行人、非机动车的伤害程度意义重大。

2 有限元模型建立

2.1 几何模型建立

以某型液罐车为研究对象，如图1所示，对侧防护装置进行结构强度仿真分析。

2.2 有限元模型的建立

在Solidworks软件中对液罐车侧防护装置进行三维建模，将三维模型以x_t格式保存，然后导入Workbench中进行网格划分，得到侧防护装置的有限元模型如图2所示，单元平均尺寸4 mm，共计单元数200 637个，节点数796 024个。

2.3 材料参数的选择

进行侧防护装置结构强度分析时，各个构件的材料属性对分析结果具有重要影响。侧防护装置设计时，各部件材料选取在满足结构强度要求的前提下，兼顾轻量化及经济性等因素考虑。其中，安装护栏支架选用Q235，护栏面板和护栏支架选用铝型材6061T6，材料属性如表1所示。

2.4 加载位置的选取

根据液罐车侧防护装置的结构特点，选择4个最恶劣的工况点，即侧防护装置前端圆弧P1、侧防护装置末端横杆P2、侧防护装置中部横杆P3和P4，如图3所示。

根据GB 11567-2017的要求，用直径220 mm±10 mm的圆形平压头施以1 kN的静压力垂直作用于侧防护装置。作用于该装置外表面的各部分时，其因受力而产生的变形在施压中心点测量应满足以下要求[4]：

a.防护装置在最后250 mm段的变形量不超过30 mm。

b.其余部分变形量不超过150 mm。

3 侧防护装置强度分析

3.1 加载位置P1的仿真结果

加载位置P1时，在Workbench中求解后得到的应力云图和总变形图分别见图4和图5。由图可知，侧护栏支架处所受最大应力为80.499 MPa，侧护栏端板圆弧处最大变形量为0.944 57 mm。

3.2 加载位置P2的仿真结果

加载位置P2时，在Workbench中求解后得到的应力云图和总变形图分别见图6和图7。由图可知，侧护栏支架处所受最大应力为139.37 MPa，侧护栏面板处最大变形量为1.327 8 mm。

3.3 加载位置P3的仿真结果

加载位置P3时，在Workbench中求解后得到的应力云图和总变形图分别见图8和图9。由图可知，侧护栏支架处所受最大应力为127.31 MPa，侧护栏面板处最大变形量为4.045 7 mm。

3.4 加载位置P4的仿真结果

加载位置P4时，在Workbench中求解后得到的应力云图和总变形图分别见图10和图11。由图可知，侧护栏支架处所受最大应力为80.249 MPa，侧护栏面板处最大变形量为1.636 5 mm。

3.5 结果分析

综上分析结果，在侧防护装置各个加载点时的最大应力值如表2所示，最大总变形值如表3所示。根据表 2的仿真结果表明，4种情况下的最大应力为139.37 MPa，小于屈服极限235 MPa；根据表3的仿真结果可以得到侧面防护装置的最大变形为4.045 7 mm，远小于GB 11567-2017对侧防护装置所要求的30 mm。因此，可以得出本方案侧防护装置结构强度满足GB 11567-2017相关要求。

4 结语

本文以液罐车侧防护装置为研究对象，建立了侧防护装置的数值模拟有限元模型，根据GB 11567-2017要求对侧防护装置施加不同部位载荷，进行了结构强度仿真分析。仿真结果表明，4种情况下的最大应力为139.37 MPa，小于屈服极限235 MPa，最大变形为4.045 7 mm，远小于GB 11567-2017对侧防护装置所要求的30 mm，因此该侧防护装置能够满足GB 11567-2017所规定的要求。相较于传统普通碳钢材质侧防护装置，本文采用铝合金型材结构能够提升液罐车的轻量化指标，研究结论为液罐车优化设计提供参考。

参考文献：

[1]沈小燕，张凡，吕卉焘，等.追尾碰撞下液罐车罐体变形失效仿真研究[J].中国安全科学学报，2019，29（4）：37-42.

[2]张凡，沈小燕，闫艳，等.非满载罐车罐体在追尾碰撞中变形失效研究[J].汽车工程学报，2019，9（1）：52-60.

[3]毕朋飞，余显忠，黄晖，等.基于路谱的车辆侧防护栏随机振动疲劳分析[J].计算机辅助工程，2023，32（1）：16-20.

[4]GB/T 11567-2017 汽车及挂车侧面和后下部防护要求[S].

[5]季小冬.汽车和挂车侧面防护标准解读[J].专用汽车，2017（4）：36-38.

作者简介：

程伟林，男，1988年生，工程师，研究方向为专用汽车设计。