關于鋁合金油罐半掛車的輕量化設計初探

　　摘要：當前隨著我國工業經濟的高速發展、社會文明程度的顯著提升，交通運輸部門對車輛超載超限的打擊、懲治也越來越嚴厲，超載管理和用戶對利益最大化的追求一直是矛盾的,但用戶追求利益最大化與制造商的輕量化車輛的設計和生產并不矛盾。因為只有在符合規范的前提下,盡可能提高車輛載質量,降低車輛的自重量,才能實現快速行駛和最大的運輸效益,因此車輛輕量化技術一直是發展的方向。具有自重輕、承載性能好的鋁合金式運油半掛車得到了較好的運用。

　　本文源自銀幕內外【2020年第6期】《銀幕內外》雜志是由中國新聞出版總署批準，四川省文化廳主管，四川文音像出版社主辦，面向國內公開發行的省級重點藝術類學術期刊。國際標準刊號：ISSN 1006-4796，國內統一刊號 CN51-1088/J。本刊立足于學術理論前沿，關注影視產業，新聞傳媒領域熱點，促進理論交流，更好的適應信息社會發展的要求，現代化新媒體建設。我們的宗旨是向向讀者提供影視、音樂、演出演藝、文化、旅游、時尚等方面深度解讀，加深讀者對藝術的理解力，提升讀者藝術的鑒賞力，發現和培養藝術人才，同時推動影視、音樂、劇場演出等文化事業發展。

　　第一章 緒論

　　.前言

　　隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，城市的規模越 來越大，當今世界節能與環保日益引起關注，新能源的開發，電 動汽車的投入使用，汽車輕量化的設計研發成為各國紛紛推出的 措施。什么是汽車輕量化?就是在保證汽車強度、剛度和安全性 能的前提下，減小汽車的整備質量從而實現燃料能源消耗的減小， 降低排氣污染。自前幾年我國開始治超工作以來，作為運輸危險 貨物的液體罐車,治理的力度也逐年增加。專用車輕量化是我國 汽車工業在建設中國特色社會主義新形式下的要求，是建設和諧 社會的重要組成部分，也是推動我國商用車快速、持續、健康發 展的必由之路。

　　本文闡述了鋁合金三軸油罐半掛車的輕量化設計，從罐體、車架、行走機構等各個方面進行了詳細的說明。運用新技術、新工藝、新材料是提高產品競爭力的主要途徑。CAE 技術已經成為支持工程行業和制造企業信息化的主導技術，在提高產品的設計質量，降低研究開發成本，縮短開發周期方面都發揮了重要作用， 成為實現產品創新的支撐技術。使用 SOLIDWORKS 對設計的鋁合金油罐半掛車進行三維建模研究，用 ANSYS 對其進行強度、剛度分析，獲得油罐車的各項性能參數，對車架進行優化拓撲研究， 對罐體進行優化設計，為鋁合金油罐半掛車的進一步研究奠定了基礎。

　　.鋁合金運輸車發展背景

　　.國外發展狀況

　　在歐洲和北美，為了實現汽車輕量化，鋁合金被廣泛應用于汽車工業，特別是載重和專用汽車。美鋁公司開發了多種鋁合金材料應用于廂式載貨車、半掛車、自卸車、罐式車等等車型，鋁合金材料在商用車上的大量應用順應汽車輕量化的時代潮流。也是推動汽車工業向高水平前進。鋁合金在商用車上的廣泛應用， 特別是在罐車上的應用，加速了歐洲和北美商用車的步代。除了極少數運輸特殊化學物品之外，歐美幾乎所有罐體都是鋁合金制造的，市場占有率高達 90%以上，因此本文將著重介紹鋁合金材料在罐車上的應用。

　　.國內發展狀況

　　鋁合金專用車的發展在我國尚處于起步階段。目前，我國半掛車(廂式半掛車、倉柵半掛車、平板半掛車)社會保有量約 300 萬輛，專用車企業雖有部分品種的鋁合金專用車進入市場，也得到了市場的接受，但其鋁合金運輸產品的份額還不足 1%。近幾年， 鋁合金罐車已呈現出一定的發展勢頭。國內部分改裝企業采用鋁合金材料，研發了不同車型和不同用途的鋁合金罐式專用車。雖然目前鋁合金罐進入市場的數量還不太多，但已經初步得到了用戶的接受。從目前管式車的需求形式看，鋁合金罐式車正在逐步得到用戶的接受和認可，預計幾年內，將會呈現出良好的發展態勢。

　　.鋁合金油罐半掛車研究的意義

　　1、首先半掛車是公路物資運輸的重要車型之一，其運載重量大，經濟能效高，同普通單體式油罐車相比，半掛油罐車運油能有效地提高運輸效率。在同噸位的情況下，降低運輸成本，節約油耗。

　　2、其次鋁罐車基于自身材料的優越性要比碳鋼罐具有很多優點。1)是自重輕帶來的經濟效益，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=最大載質量，降低自身重量相當于可以多拉貨，例如一個 42 方的碳鋼油罐半掛車的重量約 12.5 噸，同樣容積的鋁合

　　金油罐半掛車的重量約為 8.5 噸，能夠降低 4 噸的重量，相當于可以多拉 4 噸的貨，如果按照運價 0.2/噸公里來計算，一年跑

　　20 萬公里就可以多掙 160000 元。2)在油耗方面鋁合金掛車也很有優勢，車重每減輕 1kg，運行 1 萬公里就可以節省 0.7KG 的汽油。拉相同重量的貨物，一年跑 20 萬公里就可以節省 14 噸汽油，

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

　　1)從結構設計的角度出發，利用有限元分析優化方法對車架結構進行結構優化，保證剛度和強度的前提下，減輕油罐車的自重。

　　2)從材料角度出發，利用鋁合金這種輕質材料代替傳統的碳鋼以及不銹鋼罐車產品，以此達到減重的目的。

　　目前我國超載超限查處非常的嚴格，國家規定車輛載重不能超過 55 噸，在運價持續下降的又想賺錢的情況下，很多人選擇從卡車自身重量上下手，輕量化的卡車成為了很多卡友購買新車的選擇。 以往在貨多車少的年代，多拉耐造是卡車的主要特點， 然而環境在變自身重量=，現在的市場是車多貨少，加上超載超限的治理，想要提升自身競爭力只能給自己的車瘦身了。說起鋁合金掛車，據眾卡 e 族了解一輛 13 米全鋼掛車重量約 6 噸左右， 鋁合金掛車只有 4 噸，能夠降低 2 噸的重量，相當于可以多拉 2 噸的貨， 在將鋁合金應用到商用車這一方面，國外的施密茨和克勞耐等一線大廠已經進行了成熟的研發工作，并且廣泛應用到各種運輸場景中，我國也有一些廠家生產了鋁合金掛車，這幾年， 具有自重輕、承載性能良好的鋁合金油罐半掛車得到了較好的運用。為此筆名者嘗試將半掛車結合鋁合金結構材料對油罐車罐體及車架結構進行輕量化的改進設計。

　　國內已有少數廠家生產鋁合金半掛車，其中大部分零部件已經實現了“以鋁代鋼”，例如大梁、廂體等，極大的降低了車重; 隨著車輛輕量化水平的不斷提升，仍有不少零部件急需“以鋁代鋼”來進一步降低車重。

　　牽引組件是半掛車的主要結構部件，安裝在半掛車車架的前端，其作用是傳遞向前或向后的水平拉力或力矩[3]。國內生產的半掛車，其牽引組件全部是鋼質件，重量可達 110kg 以上，是除車架和懸掛座以外 ，傳統的碳鋼以及不銹鋼罐車產品逐漸被鋁合金罐車所取代。

　　第二章 鋁合金油罐半掛車有限元分析

　　2.1.鋁合金油罐半掛車研究內容

　　1)SOLIDWORKS 對鋁合金油罐半掛車進行三維建模

　　2)研究鋁合金油罐半掛車的承載能力和結構的合理性

　　3)對現有結構進行優化設計，在滿足剛度和強度的前提下， 盡可能的減輕自重

　　4)完成優化后的鋁合金半掛車的三維模型設計和二維圖紙設計

　　2.2.半掛油罐車的介紹

　　半掛油罐車，是牽引頭連接拖掛部分的油罐車，其組成分為兩個部分，油罐部分和車架部分。同普通單體式油罐車相比，半掛油罐車運油能有效地提高運輸效率。在同噸位的情況下，降低運輸成本，節約油耗。

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

　　圖 3-3 罐體圖

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

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

　　鋁 或 鋁 合 金 制 筒 體 的 最 小 厚 度 計 算 公 式 ：

　　圖 3-4 鋁合金油罐半掛車三維模型

　　2.5.鋁合金油罐半掛車模型單元劃分

　　本文通過 SolidWorks2016 與 ANSYS 之間的接口，將已建好的鋁合金油罐半掛車三維模型導入 ANSYS AIM 中，并進行求解計算。

　　在 ANSYS AIM 中劃分單元之前， 運用 SolidWorks2016 中的求和功能先將鋁合金油罐半掛車的各個部件求和，以此來模擬實際工程中各個部件之間的焊接效果。然后對模型進行 ANSYS AIM 中的前處理工作。

　　由于導入 ANSYS AIM 中的模型為一個實體模型，根據有限元分析理論，單元選擇合適與否決定著分析結果的計算精度和計算速度，考慮到鋁合金油罐半掛車的整車結構，選擇 ANSYS AIM 中的 4 節點四面體單元，即 Tet4 作為網格單元， 大小為 70mm。四面體 4 節點單元有四個節點， 分別位于四面體的四個頂點位置，四個節點既有 xyz 方向的位移自由度同時也具有分別繞

　　?1———所用材料的筒體最小厚度,單位為毫米(mm);

　　?0——— 按基準鋼設定的筒體最小厚度,單位為毫米

　　Rm ———所用材料的標準抗拉強度下限值,單位為兆帕

　　A1 ———所用材料的斷后伸長率,%

　　xyz 方向的旋轉自由度，如圖 3-5 所示

　　.結構材料強度與剛度

　　現在以該有效容積46m?的鋁合金油罐半掛車車做為實例舉例說明。該半掛車整車總質量：40 噸;整車外形尺寸(長×寬× 高)(mm)：12080mm*2530mm*3790mm;軸距：6600+1310+1310;前懸/后懸：1315/1545;罐體外形尺寸(長×寬×高)(mm):11650×

　　2498×1990(前),2100(后);運輸介質為: 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?;整備質量：7000(Kg);裝載質量： 3300(Kg)。

　　罐體厚度 5mm 采用型號為 5454-H32 鋁合金材質， 密度2.69E+03 kg/m?，彈性模量 7.00E+10 N/㎡，泊松比 0.330，屈服強度 2.05E+08 N/㎡，極限拉伸強度 2.75E+08 N/㎡。車架厚度 6mm 采用 5083-H321 型號的鋁合金材質，密度 2.66E+03 kg/m?， 彈性模量 7.10E+10 N/㎡，泊松比 0.330，屈服強度 2.88E+08 N/㎡，極限拉伸強度 3.17E+08 N/㎡。懸架采用鋼板彈簧懸架，整車結構如圖所示

　　鋁合金三維模型的建立

　　現有的鋁合金半掛車主要有罐體和車架兩大部分組成，其中罐體內設置了橫向防波板。車架由腹板、下翼板、橫梁三部分組成。忽略對分析影響不大的結構，利用 SOLIDWORKS 進行建模， 參數如表 3-1 所示，模型如圖 3-4 所示。

　　表 3-1 鋁合金油罐半掛車結構參數

　　圖 3-5 四面體四節點單元

　　用 ANSYS AI 對鋁合金油罐半掛車劃分單元后， 得到節點99544 個， 單元 307766 個， 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

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

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

　　油罐車在使用過程中通常有勻速行駛，過溝，爬坡啟動，緊急制動等主要情況。所有工況均取滿載情況( 液體密度為

　　840kg/m3 )。據以上所述，選擇勻速行駛、過溝行駛、緊急制動、爬坡啟動四種工況對鋁罐車進行了強度分析， 其所受載荷分別如下

　　(1)勻速行駛，載荷由結構自重加上液體重量組成;

　　(2)過溝行駛，當路面不平時，即某個輪胎瞬間離地時， 載荷由結構自重加上液體重量組成;

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

　　(4) 爬坡啟動，公路縱坡坡度取 i =9%，啟動加速度取 a=0.

　　23m/s2 ，載荷由結構自重加上液體重量及慣性力組成。

　　.對模型約束

　　(1)勻速行駛，在 xyz 坐標系下，約束為對牽引銷板 xyz 方向的全位移約束，以及對四對吊耳 y 方向的位移約束，并采用剛性連接模擬焊縫位置。

　　(2)過溝行駛，在 xyz 坐標系下，約束為對牽引銷板 xyz 方向的全位移約束，以及對第一對吊耳其中一個不進行約束，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，在 xyz 坐標系下，約束為對牽引銷板 xyz 方向的全位移約束，以及對四對吊耳 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，在 xyz 坐標系下，約束為對牽引銷板 xyz 方向的全位移約束，以及對四對吊耳 y 方向的位移約束，并采用剛性連接模擬焊縫位置。

　　.鋁合金油罐半掛車線性靜態分析結果

　　經有限元分析計算， 鋁合金油罐半掛車在各工況下的最大應力及位移如表 3-2 所示。

　　表 3-2 各工況最大應力及位移計算結果

　　勻速行駛時， 最大應力出現在牽引銷板與下翼板連接處， 即第 34406 節點處; 最大變形出現在罐體的筒體下側， 即第 76151 節點處。 具體應力、位移云圖如圖 3-6、 圖 3-7 所示。

　　圖 3-6 勻速行駛應力云圖

　　圖 3-7 勻速行駛位移云圖

　　過溝行駛時,油罐車最大應力出現在罐體前封頭與罐體筒體的連接處,即第 65119 節點處;最大位移出現在前封頭中心處,即第 48631 節點處。具體的應力、位移云圖如圖 3-8、圖 3-9 所示。

　　圖 3-8 過溝行駛應力云圖

　　圖 3-9 過溝行駛位移云圖

　　緊急制動時應力出現在罐體面封頭與體簡體的連接處，即 1729 節點處：最大位移出現在前封頭節點處，即 47630 節點處，具體應力位移云圖如圖 3-10、3-11 所示

　　爬坡啟動時，最大應力出現在后封頭與罐體筒體連接處，即第 35990 節點處;最大位移出現在后封頭中心處，即第 33910 處。具體的應力、位移云圖如圖 3-12、圖 3-13 所示

　　圖 3-12 爬坡啟動時應力云圖

　　圖 3-13 爬坡啟動時位移云圖

　　.本章小結

　　首先介紹了線性靜力分析的理論基礎，然后將現有的鋁合金油罐半掛車進行三維模型的建立，通過單元劃分，施加載荷以及邊界條件的確定，得到鋁合金油罐半掛車在勻速行駛、過溝行駛、緊急制動、爬坡啟動四種工況下的應力及位移。從分析結果可以看出各個工況的極值均處在安全使用范圍之內，并且安全系數較大。

　　第三章 鋁合金油罐半掛車優化設計

　　3.1.1.鋁合金油罐半掛車罐體尺寸優化方案

　　尺寸優化中，為將模型的屬性做為設計變量，導入 ANSYS AIM 中的模型為殼體，劃分單元網格時，采用 4 節點四邊形殼體單元。

　　首先對罐體內部的防波板進行尺寸優化。將防波板的厚度做為設計變量，將位移與應力作為約束條件，把質量做為目標函數。模擬防波板在罐體中的焊接形式為防波板施加邊界條件，并將液體對防波板的壓強及慣性力等載荷添加后進行優化，得到設計變量曲線及目標函數曲線，如圖 4-2、4-3 所示。

　　圖 4-2 防波板設計變量曲線 圖 4-3 防波板目標函數曲線從圖上可以看出防波板的厚度由原來的 5mm 減小到 2mm 左右，

　　質量也變為原有質量的 42%左右。

　　對罐體尺寸進行優化 ，以罐體的壁厚做為設計變量，同樣吧位移和應力做為約束條件，把質量做為目標函數。在對罐體進行包括液體壓強、慣性力等載荷的施加及模擬邊界條件施加約束后進行優化分析，得到設計變量曲線與目標函數曲線如圖 4-4、4-5 所示。

　　圖 4-4 防波板設計變量曲線 圖 4-5 防波板目標函數曲線

　　由上圖可知，罐體壁厚由原來的 10mm 減小到 5mm 左右，罐體質量也減小為原來的 48%左右。通過尺寸優化，鋁合金油罐車罐體質量明顯降低，達到了減重的目的。

　　.優化后模型分析

　　通過拓撲優化與尺寸優化將鋁合金半掛車進行了輕量化設計，對減重后的模型進行重新建模。建模過程中，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，根據拓撲結果， 車架應保留 9 根橫梁及左右對稱的 9 對罐體托撐，為使罐體后端與車架保持良好接觸，還保留了最后一對罐體托撐。優化后鋁合金油罐半掛車具體結構參數如表 4-1 所示， 模型如圖 4-6 所示。由 Solidworks 對模型質量屬性的分析功能可知,優化后模型的質量為 8.08T，優化前的體積為 13.4T， 故經過結構優化，整個鋁合金油罐半掛車質量減少了 40%。

　　表 4-1 優化后鋁合金油罐半掛車結構參數

　　4-6 優化后鋁合金半掛車模型圖下面對優化后的整車模型進行剛度和強度分析。

　　將新建模型求和后導入 Ansys 中，劃分單元網格，選擇 4 節點四面體單元，得到 102326 個節點，314275 個單元。按照優化前四種不同工況施加載荷與約束，經過分析，各個工況的最大應力和位移如表 4-2 所示，其具體應力位移云圖如圖 4-7 圖 4-8 所示。

　　表 4-2 各工況最大應力及位移計算結果

　　表 4-7 勻速行駛應力云圖

　　表 4-8 勻速行駛位移云圖

　　表 4-9 過溝行駛應力云圖

　　表 4-10 過溝行駛位移云圖

　　表 4-11 緊急制動時應力云圖

　　表 4-12 緊急制動時位移云圖

　　表 4-13 爬坡時應力云圖

　　表 4-14 爬坡時位移云圖

　　從優化后模型的分析結果可以看出，降低罐體材料厚度不但沒有增大各個工況下的應力及位移，反而使其降低，更進一步保證了鋁合金半掛車的使用安全性。

　　.本章小結

　　本章建立了鋁合金半掛油罐車的整車有限元模型，并對勻速行駛工況、過溝行駛工況、緊急制動瞬間和爬坡啟動瞬間進行了分析。分析結果表明整車應力分布均勻，強度和剛度滿足設計要求。相比于碳鋼，鋁合金車架的質量減輕約 30%，從而大幅度增加了整車的最大裝載質量，提高了運輸效率。因此鋁合金材質在專用車汽車零部件及整車結構中的應用前景廣闊。

　　第四章 結論與展望

　　.論文總結

　　隨著汽車工業的快速發展，世界能源的日益緊缺以及環境污染等問題的日益加劇，各國政府紛紛開始尋找新的節能減排的方法，其中輕量化設計是最主要的途徑之一。本文先對鋁合金油罐半掛車的剛度、強度進行分析，然后對整車進行結構優化，最后計算優化后鋁合金油罐半掛車牽引銷的合理位置并重新建模對其進行動靜態特性分析。綜合以上工作，提出如下結論：

　　1、現有鋁合金油罐半掛車的剛度及強度均在材料的使用范圍之內，并且具有較高的安全系數，可進一步進行優化設計。

　　2、通過對鋁合金油罐半掛車的結構優化設計，減少了鋁合金油罐半掛車車架橫梁及罐體托撐的數目，使其分別由原來的十二根橫梁和十對罐體托撐減少為六根和七對，并使罐體壁厚及防波板厚度由原來的 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的整車質量，實現了對鋁合金油罐半掛車的輕量化設計。

　　3、對優化后的鋁合金油罐半掛車的靜態特性分析表明優化結果滿足使用要求，并更進一步地提高了整車的安全性;通過對鋁合金油罐半掛車的動態特性分析得到其在空載和滿載時的整車固有頻率及振型，空載時罐車滿足使用要求，滿載時罐車在不理想路面行駛時易發生共振。因此，考慮到安全性的要求，應當避免罐車滿載運輸。

　　4、盡管只是初步對鋁合金油罐半掛車進行了結構優化設計和靜、動態特性分析，但為進一步對其深入研究提供了一些參考數據，具有一定的現實意義。

　　.論文展望

　　盡管經過對鋁合金油罐半掛車的有限元分析和結構優化設計已經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方面進行：

　　1、鋁合金油罐半掛車在行駛過程中是復雜的承載體，影響其結構應力的因素很多，可以對其振動特性、疲勞強度等開展進一步的研究;

　　受計算機硬件資源的限制，在對鋁合金油罐半掛車車架進行拓撲優化時單元網格劃分較大，直接影響了優化結果的準確性; 同理，在對車架進行尺寸優化時，存在較大的困難。若條件允許， 可以在網格細化的基礎上進一步開展拓撲優化工作以及尺寸優化工作。

　　3、對牽引銷位置的確定僅從一個角度進行分析，沒有進行全面探討，有待進一步研究。

　　4、對優化后的整車進行分析時，未考慮半載或其它承載工 況時的固有特性，以及由于液固耦合造成的對整車沖擊力等問題， 在以后的工作中應該進行深入研究。

　　5、油罐半掛車是專用汽車的主要品種之一，鋁合金油罐半掛車不僅在性能上可以完全滿足使用要求，而且具有質量輕、使用周期長、油耗低的優點。因此，用鋁合金制作油罐車是其發展的方向之一。目前，國內對鋁合金油罐車結構優化和性能的研究幾乎是一片空白，加強這方面的工作是完全必要的。本文在這方面進行了有意的探索，我們相信，隨著我國經濟的發展，研究手段會進一步得到加強和提高，具有較高技術含量、適合我國道路運輸條件的鋁合金油罐半掛車一定會在不遠的將來問世。

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