航空運油罐車結(jié)構(gòu)強度分析與優(yōu)化*

蔡加加，劉 晨，瞿繪軍

(1.揚州中集通華專用車有限公司，江蘇 揚州 225000；2.揚州職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚州 225000)

0 引言

飛機運油車作為航空業(yè)可移動燃料補充裝置，運油方量大小關(guān)系到飛機加油的時間與效率。目前，國內(nèi)尚未有對45 kL以上方量航空運油車的研究和制造，以此為契機，根據(jù)航空運油車使用和運輸情況，揚州中集通華專用車有限公司設(shè)計了一款超大方量(65 kL)的飛機運油車。結(jié)合工作實際設(shè)計建立航空運油車的三維模型，以ADR(Australian Design Rules)標準為參照，分析向下2G(G為整車重量(含內(nèi)部介質(zhì)))、側(cè)向1G、向上1G、向前2G這4種極限工況下的結(jié)構(gòu)強度。本文以罐車主要結(jié)構(gòu)(罐體、車架、加強筋結(jié)構(gòu))為研究對象，對標分析剛度和強度，增設(shè)車架減載槽，同時，以墊板和外側(cè)加強筋的厚度為參數(shù)進行多次優(yōu)化以驗證罐體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。該車的研制有效填補了國內(nèi)市場大方量航空運油車型號空白，切實有效地滿足國內(nèi)客戶的使用需求[1]。

1 鞍座總成分析

近年來,汽車輕量化的趨勢愈演愈烈,為保證在整車重量不變的情況下,使得單次運油的方量有所增加，本次設(shè)計采用了全鋁制材料。鋁制材料按照GB18564.1—2019《道路運輸液體危險貨物罐式車輛第1部分：金屬常壓罐體技術(shù)要求》，其斷后伸長率大于等于12%，相鄰焊接材質(zhì)應(yīng)采用同質(zhì)材料。模型采用EN14286的標準延伸率為12%的H321材質(zhì)，屈服強度Rp0.2為220 MPa，抗拉強度Rm為305 MPa[2-3]。依據(jù)JB/T4732—2002《鋁制焊接容器》標準，許用應(yīng)力要求Rm/4和Rp0.2/1.5取小值，材料許用應(yīng)力為76.25 MPa。

由于航空業(yè)飛機運油車輛使用存放環(huán)境的限制，其外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與常規(guī)的罐車有本質(zhì)的區(qū)別。為降低整車質(zhì)心高度、減少罐車側(cè)翻可能，整車結(jié)構(gòu)采用V形對接，封頭和防浪板采用凹凸結(jié)構(gòu)，整車采用市場上運用比較廣泛的鞍座式結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

圖1為利用UG軟件建立的大方量航空運油車三維模型，基于該模型分析ADR 4種極限工況下筒體、車架處重要焊縫的應(yīng)力情況，結(jié)果見表1[4]。

圖1 航空運油車結(jié)構(gòu)模型

表1 各工況下外側(cè)加強筋根部焊縫處應(yīng)力 MPa

由于航空飛機加油車使用過程中剎車情況較為頻繁，向前工況下車輛點頭現(xiàn)象較為嚴重。在向前2G工況下，存在介質(zhì)沖擊時有能量累計的過程。此時，車架區(qū)域的焊縫應(yīng)力較大。在向下2G工況下，即過凸輪凸包時，筒體的應(yīng)力相對較大。限于文章篇幅，本文僅展示向下2G時筒體和車架應(yīng)力云圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 向下2G工況筒體應(yīng)力云圖

圖3 向下2G工況車架應(yīng)力云圖

2 罐車結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決上述方案中筒體和車架應(yīng)力過高的問題，以外側(cè)加強筋的厚度為參數(shù)對其進行優(yōu)化分析。在此基礎(chǔ)上，改進筒體和車架的結(jié)構(gòu)，增設(shè)車架卸載槽，對罐車進行整體力學(xué)性能的二次優(yōu)化[5]。

2.1 墊板和外側(cè)加強筋的厚度

加強筋與墊板相連，墊板與筒體緊密相連，因此以墊板與加強筋的厚度t為優(yōu)化參數(shù)。分別選擇t=8 mm、10 mm、12 mm作為墊板和外側(cè)加強筋優(yōu)化對比參數(shù)，結(jié)合本文筒體和車架實際應(yīng)力較大區(qū)域位置，分析筒體和車架的應(yīng)力，具體結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同厚度加強筋下筒體應(yīng)力

圖5 不同厚度加強筋下車架應(yīng)力

從圖4和圖5的分析結(jié)果可以看出:隨著墊板和外側(cè)加強筋的厚度增加，在一定程度上有效降低了筒體和車架的應(yīng)力，但是與材料的許用應(yīng)力相比較，尚未達到要求。為盡量提高罐車的結(jié)構(gòu)強度，墊板和外側(cè)加強筋厚度均選擇t=12 mm。

2.2 腹板減載槽優(yōu)化

結(jié)合罐體結(jié)構(gòu)，在變截面位置給筒體增設(shè)V形貼板、在車架腹板開設(shè)減載槽以優(yōu)化罐車性能，減載槽結(jié)構(gòu)如圖6所示。因篇幅影響，V型貼板在本文中暫不討論，本文主要討論有無減載槽對筒體、車架的影響，具體如圖7、圖8所示。

圖6 減載槽示意圖

圖7 有、無減載槽筒體應(yīng)力對比

圖8 有、無減載槽車架應(yīng)力對比

從圖7、圖8中可看出：增加了減載槽的筒體和車架應(yīng)力有所下降。因此，為解決零件的應(yīng)力集中問題，提高機械零件疲勞強度，可采用減載槽結(jié)構(gòu)改變零件的力流線來降低應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)束語

針對航空業(yè)較為急需的大方量飛機加油車建立模型并進行極限工況仿真分析，提出優(yōu)化支架墊板和加強筋厚度方案，同時，通過增加車架豎筋板減載槽形式進一步進行卸載。具體結(jié)論如下：

(1)隨著支架墊板和外側(cè)加強筋板厚度增加，筒體應(yīng)力和車架應(yīng)力有一定下降。

(2)通過對罐車后車架增設(shè)減載槽結(jié)構(gòu)，有效降低了筒體和車架的應(yīng)力。