關(guān)于鋁合金油罐半掛車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)初探

　　摘要：當(dāng)前隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、社會(huì)文明程度的顯著提升，交通運(yùn)輸部門(mén)對(duì)車(chē)輛超載超限的打擊、懲治也越來(lái)越嚴(yán)厲，超載管理和用戶(hù)對(duì)利益最大化的追求一直是矛盾的,但用戶(hù)追求利益最大化與制造商的輕量化車(chē)輛的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)并不矛盾。因?yàn)橹挥性诜弦?guī)范的前提下,盡可能提高車(chē)輛載質(zhì)量,降低車(chē)輛的自重量,才能實(shí)現(xiàn)快速行駛和最大的運(yùn)輸效益,因此車(chē)輛輕量化技術(shù)一直是發(fā)展的方向。具有自重輕、承載性能好的鋁合金式運(yùn)油半掛車(chē)得到了較好的運(yùn)用。

　　本文源自銀幕內(nèi)外【2020年第6期】《銀幕內(nèi)外》雜志是由中國(guó)新聞出版總署批準(zhǔn)，四川省文化廳主管，四川文音像出版社主辦，面向國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)行的省級(jí)重點(diǎn)藝術(shù)類(lèi)學(xué)術(shù)期刊。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN 1006-4796，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào) CN51-1088/J。本刊立足于學(xué)術(shù)理論前沿，關(guān)注影視產(chǎn)業(yè)，新聞傳媒領(lǐng)域熱點(diǎn)，促進(jìn)理論交流，更好的適應(yīng)信息社會(huì)發(fā)展的要求，現(xiàn)代化新媒體建設(shè)。我們的宗旨是向向讀者提供影視、音樂(lè)、演出演藝、文化、旅游、時(shí)尚等方面深度解讀，加深讀者對(duì)藝術(shù)的理解力，提升讀者藝術(shù)的鑒賞力，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)藝術(shù)人才，同時(shí)推動(dòng)影視、音樂(lè)、劇場(chǎng)演出等文化事業(yè)發(fā)展。

　　第一章 緒論

　　.前言

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市的規(guī)模越 來(lái)越大，當(dāng)今世界節(jié)能與環(huán)保日益引起關(guān)注，新能源的開(kāi)發(fā)，電 動(dòng)汽車(chē)的投入使用，汽車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)研發(fā)成為各國(guó)紛紛推出的 措施。什么是汽車(chē)輕量化?就是在保證汽車(chē)強(qiáng)度、剛度和安全性 能的前提下，減小汽車(chē)的整備質(zhì)量從而實(shí)現(xiàn)燃料能源消耗的減小， 降低排氣污染。自前幾年我國(guó)開(kāi)始治超工作以來(lái)，作為運(yùn)輸危險(xiǎn) 貨物的液體罐車(chē),治理的力度也逐年增加。專(zhuān)用車(chē)輕量化是我國(guó) 汽車(chē)工業(yè)在建設(shè)中國(guó)特色社會(huì)主義新形式下的要求，是建設(shè)和諧 社會(huì)的重要組成部分，也是推動(dòng)我國(guó)商用車(chē)快速、持續(xù)、健康發(fā) 展的必由之路。

　　本文闡述了鋁合金三軸油罐半掛車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)，從罐體、車(chē)架、行走機(jī)構(gòu)等各個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。運(yùn)用新技術(shù)、新工藝、新材料是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要途徑。CAE 技術(shù)已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的主導(dǎo)技術(shù)，在提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研究開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期方面都發(fā)揮了重要作用， 成為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐技術(shù)。使用 SOLIDWORKS 對(duì)設(shè)計(jì)的鋁合金油罐半掛車(chē)進(jìn)行三維建模研究，用 ANSYS 對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，獲得油罐車(chē)的各項(xiàng)性能參數(shù)，對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化拓?fù)溲芯浚?對(duì)罐體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為鋁合金油罐半掛車(chē)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

　　.鋁合金運(yùn)輸車(chē)發(fā)展背景

　　.國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

　　在歐洲和北美，為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，鋁合金被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，特別是載重和專(zhuān)用汽車(chē)。美鋁公司開(kāi)發(fā)了多種鋁合金材料應(yīng)用于廂式載貨車(chē)、半掛車(chē)、自卸車(chē)、罐式車(chē)等等車(chē)型，鋁合金材料在商用車(chē)上的大量應(yīng)用順應(yīng)汽車(chē)輕量化的時(shí)代潮流。也是推動(dòng)汽車(chē)工業(yè)向高水平前進(jìn)。鋁合金在商用車(chē)上的廣泛應(yīng)用， 特別是在罐車(chē)上的應(yīng)用，加速了歐洲和北美商用車(chē)的步代。除了極少數(shù)運(yùn)輸特殊化學(xué)物品之外，歐美幾乎所有罐體都是鋁合金制造的，市場(chǎng)占有率高達(dá) 90%以上，因此本文將著重介紹鋁合金材料在罐車(chē)上的應(yīng)用。

　　.國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

　　鋁合金專(zhuān)用車(chē)的發(fā)展在我國(guó)尚處于起步階段。目前，我國(guó)半掛車(chē)(廂式半掛車(chē)、倉(cāng)柵半掛車(chē)、平板半掛車(chē))社會(huì)保有量約 300 萬(wàn)輛，專(zhuān)用車(chē)企業(yè)雖有部分品種的鋁合金專(zhuān)用車(chē)進(jìn)入市場(chǎng)，也得到了市場(chǎng)的接受，但其鋁合金運(yùn)輸產(chǎn)品的份額還不足 1%。近幾年， 鋁合金罐車(chē)已呈現(xiàn)出一定的發(fā)展勢(shì)頭。國(guó)內(nèi)部分改裝企業(yè)采用鋁合金材料，研發(fā)了不同車(chē)型和不同用途的鋁合金罐式專(zhuān)用車(chē)。雖然目前鋁合金罐進(jìn)入市場(chǎng)的數(shù)量還不太多，但已經(jīng)初步得到了用戶(hù)的接受。從目前管式車(chē)的需求形式看，鋁合金罐式車(chē)正在逐步得到用戶(hù)的接受和認(rèn)可，預(yù)計(jì)幾年內(nèi)，將會(huì)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

　　.鋁合金油罐半掛車(chē)研究的意義

　　1、首先半掛車(chē)是公路物資運(yùn)輸?shù)闹匾?chē)型之一，其運(yùn)載重量大，經(jīng)濟(jì)能效高，同普通單體式油罐車(chē)相比，半掛油罐車(chē)運(yùn)油能有效地提高運(yùn)輸效率。在同噸位的情況下，降低運(yùn)輸成本，節(jié)約油耗。

　　2、其次鋁罐車(chē)基于自身材料的優(yōu)越性要比碳鋼罐具有很多優(yōu)點(diǎn)。1)是自重輕帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，鋁的密度是 2.7g/cm?，而碳鋼的密度是 7.8g/cm?,同體積的鋁罐要比碳鋼罐輕 1/3，總重量

　　-自身重量=最大載質(zhì)量，降低自身重量相當(dāng)于可以多拉貨，例如一個(gè) 42 方的碳鋼油罐半掛車(chē)的重量約 12.5 噸，同樣容積的鋁合

　　金油罐半掛車(chē)的重量約為 8.5 噸，能夠降低 4 噸的重量，相當(dāng)于可以多拉 4 噸的貨，如果按照運(yùn)價(jià) 0.2/噸公里來(lái)計(jì)算，一年跑

　　20 萬(wàn)公里就可以多掙 160000 元。2)在油耗方面鋁合金掛車(chē)也很有優(yōu)勢(shì)，車(chē)重每減輕 1kg，運(yùn)行 1 萬(wàn)公里就可以節(jié)省 0.7KG 的汽油。拉相同重量的貨物，一年跑 20 萬(wàn)公里就可以節(jié)省 14 噸汽油，

　　約合人民幣 130000 元。鋁合金掛車(chē)在油耗上要低很多，同時(shí)鋁合金的使用壽命也很長(zhǎng)。

　　1)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，利用有限元分析優(yōu)化方法對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證剛度和強(qiáng)度的前提下，減輕油罐車(chē)的自重。

　　2)從材料角度出發(fā)，利用鋁合金這種輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳鋼以及不銹鋼罐車(chē)產(chǎn)品，以此達(dá)到減重的目的。

　　目前我國(guó)超載超限查處非常的嚴(yán)格，國(guó)家規(guī)定車(chē)輛載重不能超過(guò) 55 噸，在運(yùn)價(jià)持續(xù)下降的又想賺錢(qián)的情況下，很多人選擇從卡車(chē)自身重量上下手，輕量化的卡車(chē)成為了很多卡友購(gòu)買(mǎi)新車(chē)的選擇。 以往在貨多車(chē)少的年代，多拉耐造是卡車(chē)的主要特點(diǎn)， 然而環(huán)境在變自身重量=，現(xiàn)在的市場(chǎng)是車(chē)多貨少，加上超載超限的治理，想要提升自身競(jìng)爭(zhēng)力只能給自己的車(chē)瘦身了。說(shuō)起鋁合金掛車(chē)，據(jù)眾卡 e 族了解一輛 13 米全鋼掛車(chē)重量約 6 噸左右， 鋁合金掛車(chē)只有 4 噸，能夠降低 2 噸的重量，相當(dāng)于可以多拉 2 噸的貨， 在將鋁合金應(yīng)用到商用車(chē)這一方面，國(guó)外的施密茨和克勞耐等一線(xiàn)大廠(chǎng)已經(jīng)進(jìn)行了成熟的研發(fā)工作，并且廣泛應(yīng)用到各種運(yùn)輸場(chǎng)景中，我國(guó)也有一些廠(chǎng)家生產(chǎn)了鋁合金掛車(chē)，這幾年， 具有自重輕、承載性能良好的鋁合金油罐半掛車(chē)得到了較好的運(yùn)用。為此筆名者嘗試將半掛車(chē)結(jié)合鋁合金結(jié)構(gòu)材料對(duì)油罐車(chē)罐體及車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

　　國(guó)內(nèi)已有少數(shù)廠(chǎng)家生產(chǎn)鋁合金半掛車(chē)，其中大部分零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“以鋁代鋼”，例如大梁、廂體等，極大的降低了車(chē)重; 隨著車(chē)輛輕量化水平的不斷提升，仍有不少零部件急需“以鋁代鋼”來(lái)進(jìn)一步降低車(chē)重。

　　牽引組件是半掛車(chē)的主要結(jié)構(gòu)部件，安裝在半掛車(chē)車(chē)架的前端，其作用是傳遞向前或向后的水平拉力或力矩[3]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的半掛車(chē)，其牽引組件全部是鋼質(zhì)件，重量可達(dá) 110kg 以上，是除車(chē)架和懸掛座以外 ，傳統(tǒng)的碳鋼以及不銹鋼罐車(chē)產(chǎn)品逐漸被鋁合金罐車(chē)所取代。

　　第二章 鋁合金油罐半掛車(chē)有限元分析

　　2.1.鋁合金油罐半掛車(chē)研究?jī)?nèi)容

　　1)SOLIDWORKS 對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)進(jìn)行三維建模

　　2)研究鋁合金油罐半掛車(chē)的承載能力和結(jié)構(gòu)的合理性

　　3)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度的前提下， 盡可能的減輕自重

　　4)完成優(yōu)化后的鋁合金半掛車(chē)的三維模型設(shè)計(jì)和二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

　　2.2.半掛油罐車(chē)的介紹

　　半掛油罐車(chē)，是牽引頭連接拖掛部分的油罐車(chē)，其組成分為兩個(gè)部分，油罐部分和車(chē)架部分。同普通單體式油罐車(chē)相比，半掛油罐車(chē)運(yùn)油能有效地提高運(yùn)輸效率。在同噸位的情況下，降低運(yùn)輸成本，節(jié)約油耗。

　　如圖一為某油罐半掛車(chē)，包括油罐、車(chē)架、支承座總成、車(chē)架、牽引裝置、管路系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、靜電消除裝置、滅火器、工具箱、操縱箱等。

　　圖 3-3 罐體圖

　　半掛油罐車(chē)主要由半掛底盤(pán)、罐體、人孔蓋、管路系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)、防溢流系統(tǒng)、導(dǎo)靜電裝置、氣路控制系統(tǒng)、安全護(hù)欄、輸油膠管和防護(hù)裝置等組成。如圖(1)示：

　　筒體最小厚度不包含材料厚度負(fù)偏差、腐蝕裕量以及加工制造過(guò)程中的工藝減薄量。

　　鋁 或 鋁 合 金 制 筒 體 的 最 小 厚 度 計(jì) 算 公 式 ：

　　圖 3-4 鋁合金油罐半掛車(chē)三維模型

　　2.5.鋁合金油罐半掛車(chē)模型單元?jiǎng)澐?/p>

　　本文通過(guò) SolidWorks2016 與 ANSYS 之間的接口，將已建好的鋁合金油罐半掛車(chē)三維模型導(dǎo)入 ANSYS AIM 中，并進(jìn)行求解計(jì)算。

　　在 ANSYS AIM 中劃分單元之前， 運(yùn)用 SolidWorks2016 中的求和功能先將鋁合金油罐半掛車(chē)的各個(gè)部件求和，以此來(lái)模擬實(shí)際工程中各個(gè)部件之間的焊接效果。然后對(duì)模型進(jìn)行 ANSYS AIM 中的前處理工作。

　　由于導(dǎo)入 ANSYS AIM 中的模型為一個(gè)實(shí)體模型，根據(jù)有限元分析理論，單元選擇合適與否決定著分析結(jié)果的計(jì)算精度和計(jì)算速度，考慮到鋁合金油罐半掛車(chē)的整車(chē)結(jié)構(gòu)，選擇 ANSYS AIM 中的 4 節(jié)點(diǎn)四面體單元，即 Tet4 作為網(wǎng)格單元， 大小為 70mm。四面體 4 節(jié)點(diǎn)單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)， 分別位于四面體的四個(gè)頂點(diǎn)位置，四個(gè)節(jié)點(diǎn)既有 xyz 方向的位移自由度同時(shí)也具有分別繞

　　?1———所用材料的筒體最小厚度,單位為毫米(mm);

　　?0——— 按基準(zhǔn)鋼設(shè)定的筒體最小厚度,單位為毫米

　　Rm ———所用材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值,單位為兆帕

　　A1 ———所用材料的斷后伸長(zhǎng)率,%

　　xyz 方向的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖 3-5 所示

　　.結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度與剛度

　　現(xiàn)在以該有效容積46m?的鋁合金油罐半掛車(chē)車(chē)做為實(shí)例舉例說(shuō)明。該半掛車(chē)整車(chē)總質(zhì)量：40 噸;整車(chē)外形尺寸(長(zhǎng)×寬× 高)(mm)：12080mm*2530mm*3790mm;軸距：6600+1310+1310;前懸/后懸：1315/1545;罐體外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)(mm):11650×

　　2498×1990(前),2100(后);運(yùn)輸介質(zhì)為: 柴油(密度 830 千克/立方米)、煤油(密度 800 千克/立方米)、汽油(密度 700 千克/立方米)。;罐體有效容積 46m?;整備質(zhì)量：7000(Kg);裝載質(zhì)量： 3300(Kg)。

　　罐體厚度 5mm 采用型號(hào)為 5454-H32 鋁合金材質(zhì)， 密度2.69E+03 kg/m?，彈性模量 7.00E+10 N/㎡，泊松比 0.330，屈服強(qiáng)度 2.05E+08 N/㎡，極限拉伸強(qiáng)度 2.75E+08 N/㎡。車(chē)架厚度 6mm 采用 5083-H321 型號(hào)的鋁合金材質(zhì)，密度 2.66E+03 kg/m?， 彈性模量 7.10E+10 N/㎡，泊松比 0.330，屈服強(qiáng)度 2.88E+08 N/㎡，極限拉伸強(qiáng)度 3.17E+08 N/㎡。懸架采用鋼板彈簧懸架，整車(chē)結(jié)構(gòu)如圖所示

　　鋁合金三維模型的建立

　　現(xiàn)有的鋁合金半掛車(chē)主要有罐體和車(chē)架兩大部分組成，其中罐體內(nèi)設(shè)置了橫向防波板。車(chē)架由腹板、下翼板、橫梁三部分組成。忽略對(duì)分析影響不大的結(jié)構(gòu)，利用 SOLIDWORKS 進(jìn)行建模， 參數(shù)如表 3-1 所示，模型如圖 3-4 所示。

　　表 3-1 鋁合金油罐半掛車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　圖 3-5 四面體四節(jié)點(diǎn)單元

　　用 ANSYS AI 對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)劃分單元后， 得到節(jié)點(diǎn)99544 個(gè)， 單元 307766 個(gè)， 如圖 3. 7 所示。

　　.工況的選擇以及載荷約束的施加.載荷及邊界條件

　　罐車(chē)主要承受自重、貨物重量級(jí)慣性力載荷的作用。由于多種載荷聯(lián)合作用，所以采取逐步施加載荷的方法，第一個(gè)載荷施加由于罐車(chē)自重產(chǎn)生的重力載荷， 在豎直方向施加加速度為.8m/s?的慣性載荷;第二個(gè)載荷施加液體自重，本文采取了液體壓強(qiáng)的方法加載，將滿(mǎn)載時(shí)液體的總質(zhì)量采用均布載荷方式施加在罐體地面上;第三個(gè)載荷施加慣性力載荷，根據(jù)不同的工況將相應(yīng)的慣性力施加在不同的部位。

　　對(duì)于不同的工況用不同的約束條件。半掛車(chē)前部有牽引銷(xiāo)支撐在鞍座上，可簡(jiǎn)化為一個(gè)剛性支撐進(jìn)行全約束。后部是懸架支座支撐，懸架通過(guò)板簧與三軸連接，三軸軸頭連接鋼圈作用于輪胎……，本文約束懸架的前進(jìn)方向和垂直向上的自由度，有限元模型圖。

　　油罐車(chē)在使用過(guò)程中通常有勻速行駛，過(guò)溝，爬坡啟動(dòng)，緊急制動(dòng)等主要情況。所有工況均取滿(mǎn)載情況( 液體密度為

　　840kg/m3 )。據(jù)以上所述，選擇勻速行駛、過(guò)溝行駛、緊急制動(dòng)、爬坡啟動(dòng)四種工況對(duì)鋁罐車(chē)進(jìn)行了強(qiáng)度分析， 其所受載荷分別如下

　　(1)勻速行駛，載荷由結(jié)構(gòu)自重加上液體重量組成;

　　(2)過(guò)溝行駛，當(dāng)路面不平時(shí)，即某個(gè)輪胎瞬間離地時(shí)， 載荷由結(jié)構(gòu)自重加上液體重量組成;

　　(3)緊急制動(dòng)，制動(dòng)加速度取 a=5m/s2 ，載荷由結(jié)構(gòu)自重加上液體重量及慣性力組成;

　　(4) 爬坡啟動(dòng)，公路縱坡坡度取 i =9%，啟動(dòng)加速度取 a=0.

　　23m/s2 ，載荷由結(jié)構(gòu)自重加上液體重量及慣性力組成。

　　.對(duì)模型約束

　　(1)勻速行駛，在 xyz 坐標(biāo)系下，約束為對(duì)牽引銷(xiāo)板 xyz 方向的全位移約束，以及對(duì)四對(duì)吊耳 y 方向的位移約束，并采用剛性連接模擬焊縫位置。

　　(2)過(guò)溝行駛，在 xyz 坐標(biāo)系下，約束為對(duì)牽引銷(xiāo)板 xyz 方向的全位移約束，以及對(duì)第一對(duì)吊耳其中一個(gè)不進(jìn)行約束，其余吊耳均采用 y 方向的位移約束，并采用剛性連接模擬焊縫位置。

　　(3)緊急制動(dòng)，在 xyz 坐標(biāo)系下，約束為對(duì)牽引銷(xiāo)板 xyz 方向的全位移約束，以及對(duì)四對(duì)吊耳 y 方向的位移約束，并采用剛性連接模擬焊縫位置。

　　(4)爬坡啟動(dòng)，在 xyz 坐標(biāo)系下，約束為對(duì)牽引銷(xiāo)板 xyz 方向的全位移約束，以及對(duì)四對(duì)吊耳 y 方向的位移約束，并采用剛性連接模擬焊縫位置。

　　.鋁合金油罐半掛車(chē)線(xiàn)性靜態(tài)分析結(jié)果

　　經(jīng)有限元分析計(jì)算， 鋁合金油罐半掛車(chē)在各工況下的最大應(yīng)力及位移如表 3-2 所示。

　　表 3-2 各工況最大應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果

　　勻速行駛時(shí)， 最大應(yīng)力出現(xiàn)在牽引銷(xiāo)板與下翼板連接處， 即第 34406 節(jié)點(diǎn)處; 最大變形出現(xiàn)在罐體的筒體下側(cè)， 即第 76151 節(jié)點(diǎn)處。 具體應(yīng)力、位移云圖如圖 3-6、 圖 3-7 所示。

　　圖 3-6 勻速行駛應(yīng)力云圖

　　圖 3-7 勻速行駛位移云圖

　　過(guò)溝行駛時(shí),油罐車(chē)最大應(yīng)力出現(xiàn)在罐體前封頭與罐體筒體的連接處,即第 65119 節(jié)點(diǎn)處;最大位移出現(xiàn)在前封頭中心處,即第 48631 節(jié)點(diǎn)處。具體的應(yīng)力、位移云圖如圖 3-8、圖 3-9 所示。

　　圖 3-8 過(guò)溝行駛應(yīng)力云圖

　　圖 3-9 過(guò)溝行駛位移云圖

　　緊急制動(dòng)時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)在罐體面封頭與體簡(jiǎn)體的連接處，即 1729 節(jié)點(diǎn)處：最大位移出現(xiàn)在前封頭節(jié)點(diǎn)處，即 47630 節(jié)點(diǎn)處，具體應(yīng)力位移云圖如圖 3-10、3-11 所示

　　爬坡啟動(dòng)時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在后封頭與罐體筒體連接處，即第 35990 節(jié)點(diǎn)處;最大位移出現(xiàn)在后封頭中心處，即第 33910 處。具體的應(yīng)力、位移云圖如圖 3-12、圖 3-13 所示

　　圖 3-12 爬坡啟動(dòng)時(shí)應(yīng)力云圖

　　圖 3-13 爬坡啟動(dòng)時(shí)位移云圖

　　.本章小結(jié)

　　首先介紹了線(xiàn)性靜力分析的理論基礎(chǔ)，然后將現(xiàn)有的鋁合金油罐半掛車(chē)進(jìn)行三維模型的建立，通過(guò)單元?jiǎng)澐郑┘虞d荷以及邊界條件的確定，得到鋁合金油罐半掛車(chē)在勻速行駛、過(guò)溝行駛、緊急制動(dòng)、爬坡啟動(dòng)四種工況下的應(yīng)力及位移。從分析結(jié)果可以看出各個(gè)工況的極值均處在安全使用范圍之內(nèi)，并且安全系數(shù)較大。

　　第三章 鋁合金油罐半掛車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　3.1.1.鋁合金油罐半掛車(chē)罐體尺寸優(yōu)化方案

　　尺寸優(yōu)化中，為將模型的屬性做為設(shè)計(jì)變量，導(dǎo)入 ANSYS AIM 中的模型為殼體，劃分單元網(wǎng)格時(shí)，采用 4 節(jié)點(diǎn)四邊形殼體單元。

　　首先對(duì)罐體內(nèi)部的防波板進(jìn)行尺寸優(yōu)化。將防波板的厚度做為設(shè)計(jì)變量，將位移與應(yīng)力作為約束條件，把質(zhì)量做為目標(biāo)函數(shù)。模擬防波板在罐體中的焊接形式為防波板施加邊界條件，并將液體對(duì)防波板的壓強(qiáng)及慣性力等載荷添加后進(jìn)行優(yōu)化，得到設(shè)計(jì)變量曲線(xiàn)及目標(biāo)函數(shù)曲線(xiàn)，如圖 4-2、4-3 所示。

　　圖 4-2 防波板設(shè)計(jì)變量曲線(xiàn) 圖 4-3 防波板目標(biāo)函數(shù)曲線(xiàn)從圖上可以看出防波板的厚度由原來(lái)的 5mm 減小到 2mm 左右，

　　質(zhì)量也變?yōu)樵匈|(zhì)量的 42%左右。

　　對(duì)罐體尺寸進(jìn)行優(yōu)化 ，以罐體的壁厚做為設(shè)計(jì)變量，同樣吧位移和應(yīng)力做為約束條件，把質(zhì)量做為目標(biāo)函數(shù)。在對(duì)罐體進(jìn)行包括液體壓強(qiáng)、慣性力等載荷的施加及模擬邊界條件施加約束后進(jìn)行優(yōu)化分析，得到設(shè)計(jì)變量曲線(xiàn)與目標(biāo)函數(shù)曲線(xiàn)如圖 4-4、4-5 所示。

　　圖 4-4 防波板設(shè)計(jì)變量曲線(xiàn) 圖 4-5 防波板目標(biāo)函數(shù)曲線(xiàn)

　　由上圖可知，罐體壁厚由原來(lái)的 10mm 減小到 5mm 左右，罐體質(zhì)量也減小為原來(lái)的 48%左右。通過(guò)尺寸優(yōu)化，鋁合金油罐車(chē)罐體質(zhì)量明顯降低，達(dá)到了減重的目的。

　　.優(yōu)化后模型分析

　　通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化將鋁合金半掛車(chē)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)減重后的模型進(jìn)行重新建模。建模過(guò)程中，罐體壁厚取 5mm, 一般情況下防波板厚度與罐體板厚度相同取 5mm，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果， 車(chē)架應(yīng)保留 9 根橫梁及左右對(duì)稱(chēng)的 9 對(duì)罐體托撐，為使罐體后端與車(chē)架保持良好接觸，還保留了最后一對(duì)罐體托撐。優(yōu)化后鋁合金油罐半掛車(chē)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 4-1 所示， 模型如圖 4-6 所示。由 Solidworks 對(duì)模型質(zhì)量屬性的分析功能可知,優(yōu)化后模型的質(zhì)量為 8.08T，優(yōu)化前的體積為 13.4T， 故經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，整個(gè)鋁合金油罐半掛車(chē)質(zhì)量減少了 40%。

　　表 4-1 優(yōu)化后鋁合金油罐半掛車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　4-6 優(yōu)化后鋁合金半掛車(chē)模型圖下面對(duì)優(yōu)化后的整車(chē)模型進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析。

　　將新建模型求和后導(dǎo)入 Ansys 中，劃分單元網(wǎng)格，選擇 4 節(jié)點(diǎn)四面體單元，得到 102326 個(gè)節(jié)點(diǎn)，314275 個(gè)單元。按照優(yōu)化前四種不同工況施加載荷與約束，經(jīng)過(guò)分析，各個(gè)工況的最大應(yīng)力和位移如表 4-2 所示，其具體應(yīng)力位移云圖如圖 4-7 圖 4-8 所示。

　　表 4-2 各工況最大應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果

　　表 4-7 勻速行駛應(yīng)力云圖

　　表 4-8 勻速行駛位移云圖

　　表 4-9 過(guò)溝行駛應(yīng)力云圖

　　表 4-10 過(guò)溝行駛位移云圖

　　表 4-11 緊急制動(dòng)時(shí)應(yīng)力云圖

　　表 4-12 緊急制動(dòng)時(shí)位移云圖

　　表 4-13 爬坡時(shí)應(yīng)力云圖

　　表 4-14 爬坡時(shí)位移云圖

　　從優(yōu)化后模型的分析結(jié)果可以看出，降低罐體材料厚度不但沒(méi)有增大各個(gè)工況下的應(yīng)力及位移，反而使其降低，更進(jìn)一步保證了鋁合金半掛車(chē)的使用安全性。

　　.本章小結(jié)

　　本章建立了鋁合金半掛油罐車(chē)的整車(chē)有限元模型，并對(duì)勻速行駛工況、過(guò)溝行駛工況、緊急制動(dòng)瞬間和爬坡啟動(dòng)瞬間進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明整車(chē)應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。相比于碳鋼，鋁合金車(chē)架的質(zhì)量減輕約 30%，從而大幅度增加了整車(chē)的最大裝載質(zhì)量，提高了運(yùn)輸效率。因此鋁合金材質(zhì)在專(zhuān)用車(chē)汽車(chē)零部件及整車(chē)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景廣闊。

　　第四章 結(jié)論與展望

　　.論文總結(jié)

　　隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，世界能源的日益緊缺以及環(huán)境污染等問(wèn)題的日益加劇，各國(guó)政府紛紛開(kāi)始尋找新的節(jié)能減排的方法，其中輕量化設(shè)計(jì)是最主要的途徑之一。本文先對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行分析，然后對(duì)整車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后計(jì)算優(yōu)化后鋁合金油罐半掛車(chē)牽引銷(xiāo)的合理位置并重新建模對(duì)其進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性分析。綜合以上工作，提出如下結(jié)論：

　　1、現(xiàn)有鋁合金油罐半掛車(chē)的剛度及強(qiáng)度均在材料的使用范圍之內(nèi)，并且具有較高的安全系數(shù)，可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　2、通過(guò)對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了鋁合金油罐半掛車(chē)車(chē)架橫梁及罐體托撐的數(shù)目，使其分別由原來(lái)的十二根橫梁和十對(duì)罐體托撐減少為六根和七對(duì)，并使罐體壁厚及防波板厚度由原來(lái)的 10mm 和 6mm 分別減小為 5mm 和 4mm，大大降低了原有鋁合金油罐半掛車(chē)的整車(chē)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)。

　　3、對(duì)優(yōu)化后的鋁合金油罐半掛車(chē)的靜態(tài)特性分析表明優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足使用要求，并更進(jìn)一步地提高了整車(chē)的安全性;通過(guò)對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)的動(dòng)態(tài)特性分析得到其在空載和滿(mǎn)載時(shí)的整車(chē)固有頻率及振型，空載時(shí)罐車(chē)滿(mǎn)足使用要求，滿(mǎn)載時(shí)罐車(chē)在不理想路面行駛時(shí)易發(fā)生共振。因此，考慮到安全性的要求，應(yīng)當(dāng)避免罐車(chē)滿(mǎn)載運(yùn)輸。

　　4、盡管只是初步對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和靜、動(dòng)態(tài)特性分析，但為進(jìn)一步對(duì)其深入研究提供了一些參考數(shù)據(jù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

　　.論文展望

　　盡管經(jīng)過(guò)對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得了一些研究成果，但是這些研究只是初步的。建議今后的研究工作可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

　　1、鋁合金油罐半掛車(chē)在行駛過(guò)程中是復(fù)雜的承載體，影響其結(jié)構(gòu)應(yīng)力的因素很多，可以對(duì)其振動(dòng)特性、疲勞強(qiáng)度等開(kāi)展進(jìn)一步的研究;

　　受計(jì)算機(jī)硬件資源的限制，在對(duì)鋁合金油罐半掛車(chē)車(chē)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)單元網(wǎng)格劃分較大，直接影響了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性; 同理，在對(duì)車(chē)架進(jìn)行尺寸優(yōu)化時(shí)，存在較大的困難。若條件允許， 可以在網(wǎng)格細(xì)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化工作以及尺寸優(yōu)化工作。

　　3、對(duì)牽引銷(xiāo)位置的確定僅從一個(gè)角度進(jìn)行分析，沒(méi)有進(jìn)行全面探討，有待進(jìn)一步研究。

　　4、對(duì)優(yōu)化后的整車(chē)進(jìn)行分析時(shí)，未考慮半載或其它承載工 況時(shí)的固有特性，以及由于液固耦合造成的對(duì)整車(chē)沖擊力等問(wèn)題， 在以后的工作中應(yīng)該進(jìn)行深入研究。

　　5、油罐半掛車(chē)是專(zhuān)用汽車(chē)的主要品種之一，鋁合金油罐半掛車(chē)不僅在性能上可以完全滿(mǎn)足使用要求，而且具有質(zhì)量輕、使用周期長(zhǎng)、油耗低的優(yōu)點(diǎn)。因此，用鋁合金制作油罐車(chē)是其發(fā)展的方向之一。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金油罐車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能的研究幾乎是一片空白，加強(qiáng)這方面的工作是完全必要的。本文在這方面進(jìn)行了有意的探索，我們相信，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，研究手段會(huì)進(jìn)一步得到加強(qiáng)和提高，具有較高技術(shù)含量、適合我國(guó)道路運(yùn)輸條件的鋁合金油罐半掛車(chē)一定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)問(wèn)世。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]杜曉進(jìn).油罐車(chē)罐體的維護(hù)與保養(yǎng)策略探討[J].數(shù)字化用戶(hù),2017,23(46):54.

　　[2]曹俊,羅狄鋒.淺析油罐車(chē)罐體的輕量化設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)(學(xué)術(shù)版),2014,33(6):49-50.

　　[3]王有君,李小冬,任建武等.GQ80 型鐵路輕油罐車(chē)罐體環(huán)縫焊接技術(shù)[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2015,43(4):37-38,42.

　　[4]姜玲蓮.全鋁合金半掛油罐車(chē)罐體及其車(chē)架的有限元分析[D].廣東工業(yè)大學(xué),2011.

　　[5]閆海軍.芻議油罐車(chē)罐體檢驗(yàn)問(wèn)題及建議[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2012,(36).

　　[6]周靖,趙文.GQ70 型輕油罐車(chē)罐體制造工藝改進(jìn)[J].機(jī)械制造文摘-焊接分冊(cè),2012,(3):44-46.

　　[7]姜桂全.GQ70 型輕油罐車(chē)罐體埋弧焊工藝[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝,2007,(3):15-17.

　　[8]趙勇.輕油罐車(chē)罐體的動(dòng)力學(xué)分析[D].鄭州大學(xué),2006.

　　[9]崔增輝，王祖德.專(zhuān)用汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)研判[J.汽車(chē)工業(yè)研究，2006(3)：25-29

　　[10]黃胡歡，雷瑜.油罐車(chē)燃油運(yùn)輸和裝卸的新趨勢(shì)[刀.裝備制造技術(shù)，2008(8)：127-128[3]劉憲兵.美國(guó)、日本控制汽油貯運(yùn)和加油站揮發(fā)污染概況[刀，中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2001(1)：45

　　Dan Stone， 等(美) .安全罐車(chē)的探索[.國(guó)外鐵道車(chē)輛， 2002(2) ：44-45

　　[11]潘俊興.歐美危險(xiǎn)液化氣體罐車(chē)安全附件技術(shù)現(xiàn)狀[刀. 專(zhuān)用汽車(chē).2003(2)：12-13

　　[12]楊沿平，甘年妃，劉克進(jìn).國(guó)內(nèi)外汽車(chē)市場(chǎng)需求分析[刀. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，9(5)：35-37

　　[13]韓林.我國(guó)罐式汽車(chē)市場(chǎng)分析及發(fā)展態(tài)勢(shì)[刀.商用汽車(chē)， 2007(12)：82-85.

　　[14]謝開(kāi)泉.國(guó)內(nèi)油罐車(chē)市場(chǎng)分析及發(fā)展趨勢(shì)[刀，專(zhuān)用汽車(chē)， 2007(5)：10-11.

　　[15]惲海，崔增輝，王軍雷.2008 年專(zhuān)用汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量統(tǒng)計(jì)分析[J.專(zhuān)用汽車(chē)，2009(12)：22-25

　　[16]丁科，陳月順，有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2006.

　　[17] 寧連旺.ANSYS 有限元分析理論與發(fā)展[J.山西科技， 2008(4) ：65-66， 68. 1

　　[18]陳德凱.無(wú)底架輕型油罐車(chē)罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2004..

　　[19]韓清凱，孫偉.彈性力學(xué)及有限元法基礎(chǔ)教程[M].沈陽(yáng)： 東北大學(xué)出版社，2009.

　　[20]劉英魁.有限元分析的發(fā)展趨勢(shì)[刀.建筑科學(xué)，2009(6)： 157.

　　[21]呂文閣，駱少明等.“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元進(jìn)行強(qiáng)度分析的嘗試[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)社會(huì)科學(xué)版， 2008，8(zl)：189-191

　　[22] 宋春華.ABAQUS 應(yīng)用分析解決方案印， 模具工程， 2010(1-2) ：65-69， 97.

　　[23]劉德菊.許用應(yīng)力法設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題[，涼山大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010，4(4)：24-26.

　　[24]申如弦.安全系數(shù)法的研究與分析[].新技術(shù)新工藝， 2009，(10)，41-42[31]呂新宇.5083 鋁合金熱軋板研究[刀.輕合金加工技術(shù)，2002，30(3)：15-19，31.