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半挂液罐车结构强度刚度有限元分析研究

赵伦峰  
【摘要】:半挂液罐车,作为食品饮料,奶制品,化工燃料等运输的专用车辆,与普通汽车比较,它能充分发挥汽车运输效率,降低运输成本,缩短装卸货物时间,减少劳动消耗和货物损失,特别是能够保持货物的质量和实用价值。因此在我国的汽车交通运输事业中得到了广泛的应用,各种新型结构的半挂液罐车也大量地出现。但是在实际的使用过程中,发现其局部结构存在着不合理的地方,有的地方强度过强,而有些地方强度又过于薄弱,对其安全运输造成了很大的隐患,有时还会造成巨大的经济损失。因此,对于液罐车的结构设计和动力分析显得十分必要。 半挂液罐车是复杂的承载结构系统,承受着来自道路及装载的液体载荷作用。若用经典力学方法计算强度和刚度,或进行动力分析,则需要做很多的简化和假设,计算冗长繁杂,甚至无法计算。因此,长期以来设计工作存在一定的盲目性,影响结构的合理化和轻量化。采用有限元的方法,对于结构比较复杂的罐体,能够分析出罐体各结构部位的应力和变形位移情况,有助于设计者考察液罐车各结构部位的强度和刚度,能够对设计,生产和制造加以指导,并且使结构得到优化,使整车力学性能得到提高。对于缩短产品开发周期,降低产品的开发成本,都具有很大的实用价值,也为加速该产品在我国的推广应用,为其打入国际市场打下了坚实的基础。 本文主要利用国际上先进的大型通用有限元分析软件ANSYS,对半挂液罐车罐体和后支座进行结构简化,有限元的前后处理,求解计算和结构改进,并且对后封头进行参数化程序设计和模态分析等进行全方面的分析研究和探索。 建立准确可靠的结构有限元计算模型,是有限元分析的基础,有限单元法分析结果的准确性主要取决于计算模型的准确性。然而,实际的工程问题往往 WP=74 是非常复杂的,形状千奇百怪,因此就要求在建立计算模型过程中,做种种必要的简化,没有这种简化,这类结构的有限元计算往往变得异常困难,有时甚至是不可能的。 首先,对半挂液罐车的技术图纸进行消化吸收和理解,在此基础上利用有限元的知识,依据罐体的结构和受力特点,以力求反映结构的力学特性为前提,同时尽可能选择简单的单元,使得模型既简单又节约计算费用。本文在建立罐体和后支座的3D有限元模型时,主要采用板壳单元Shell63和梁单元Beam4。将罐体圆筒,椭圆封头,防冲板,侧向防冲板,内梁底板,丁字梁腹板,后支座,横,纵梁以及加强筋等均用板壳单元来模拟;将丁字梁盖板,后封头加强槽钢等用梁单元来模拟。罐体各部件焊接成一体,结构比较复杂,必须适当采取一些简化措施,简化的程度主要取决于分析目的。本文将罐体上端的加油孔,焊接小件等,在不影响总体强度和刚度的条件下,建模时忽略不计。在建立模型以后,确定罐车行驶时的几种工况,进行施加载荷和边界条件的确定,然后进行计算和结果分析。 其次,在对计算结果分析以后,对其结构强度刚度储备比较小的结构部件,加以结构的改进和完善,进行二次计算,以此来分析改善后的效果。对改进效果不太好的后封头,利用ANSYS的参数化程序设计语言(APDL),对其进行参数化的建模,加载和计算。为解决ANSYS参数化程序在参数输入方面的不便,利用Visual Basic语言对其进行二次开发,设计了良好的交互式程序界面,实现结构几何尺寸的参数化输入,能够得出结构尺寸变化时的应力和位移分布图,得出后封头的结构形状对其强度和刚度的影响,以期得到更好的结构形式。 最后,对整个罐体进行模态分析,得出干模态和湿模态时的前几阶固有频率及振型。为整体响应分析提供重要的模态参数,同时也为改进结构设计提供了理论依据。


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