現(xiàn)場(chǎng)混裝車的一種輕量化料倉及數(shù)字化驗(yàn)證

葉德宏 姜祖勇

（江蘇澳瑞凱板橋礦山機(jī)械有限公司）

隨著工業(yè)散裝炸藥在國內(nèi)的不斷推廣應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車在國內(nèi)民用爆破行業(yè)的保有量也越來越多，目前全國各種類型的現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車保有量超400臺(tái)。作為工業(yè)散裝炸藥技術(shù)推廣應(yīng)用的重要一環(huán)，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車不僅作為炸藥原料裝載運(yùn)輸?shù)膯卧?，又是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝藥的核心設(shè)備。

1 概述

現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車（下稱“混裝車”）除了進(jìn)行公路運(yùn)輸遠(yuǎn)程投遞外，更多時(shí)間在礦山道路和爆破作業(yè)平臺(tái)上行駛作業(yè)；混裝車能夠穩(wěn)定安全的工作，特別是承載主要原料和輸送設(shè)備的箱體能夠滿足復(fù)雜惡劣的路況和使用過程中的各種工況，在正常設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不會(huì)因箱體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度問題，出現(xiàn)箱體變形、破損、結(jié)構(gòu)件斷裂等現(xiàn)象，進(jìn)而造成各種生產(chǎn)問題和安全隱患，這就對(duì)原料罐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了很高的要求［1］。同時(shí)上路行駛的危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)妆P有總質(zhì)量限制，料倉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升后造成載料量下降過多也不符合經(jīng)濟(jì)效益；所以既減輕裝備質(zhì)量、增加物料裝載質(zhì)量，又能滿足強(qiáng)度使用要求尤為重要。

本研究簡述一款混裝車乳化基質(zhì)料罐的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、料罐材料選擇，并對(duì)設(shè)計(jì)的箱體進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證［2-3］。

2 模型建立及有限元分析

2.1 箱體結(jié)構(gòu)簡介

該乳化基質(zhì)料罐如圖1所示，長度為3 175 mm，寬度為2 295 mm，高度為2 250 mm。箱體和支架材料是采用2種鋁合金材料焊接而成，所有拼接部位全部滿焊。

原始模型使用SolidWorks2013建立模型，使用Rhinoceros CAD軟件將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為表面模型，為有限元建模做準(zhǔn)備。

圖1為乳化基質(zhì)罐體的縱向剖視圖，罐體內(nèi)部分2個(gè)獨(dú)立的倉，中間隔開，倉的容積依據(jù)炸藥配方比例設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)的量不一樣；2個(gè)倉可同時(shí)裝滿基質(zhì)，也可以分開獨(dú)立使用，倉底部設(shè)計(jì)成坡度錐形向罐體底部匯聚，出料口就設(shè)置的在最底部，便于基質(zhì)排空。

2.2 建立有限元模型

乳化基質(zhì)罐的有限元模型是根據(jù)Rhinoceros CAD幾何模型生成，由大型有限元分析軟件Strand7建立，模型由一個(gè)4節(jié)點(diǎn)的四邊形主導(dǎo)板/殼單元網(wǎng)格組成，網(wǎng)格代表了乳化基質(zhì)罐的外殼、底部支架、防溢出槽。乳化基質(zhì)罐的底部支架安裝到混裝車大梁，使用剛性連接進(jìn)行建模。

用于乳化基質(zhì)罐分析的有限元模型如圖2所示。乳化基質(zhì)和硝銨粒料罐的有限元模型質(zhì)量列于表1，表1中滿載質(zhì)量包含罐體質(zhì)量。

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乳化基質(zhì)罐有限元模型由67 868個(gè)板殼單元、181個(gè)剛性桿件、2個(gè)釘桿件和67 623個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。檢查網(wǎng)格質(zhì)量和密度，確定適合模型。

2.3 材料特性

乳化基質(zhì)罐使用的鋁合金材料分2種:用于底部支架、安裝板和水平約束點(diǎn)連接支架，機(jī)械性能與EN-AW 5083-H34級(jí)鋁相同；其余罐壁和結(jié)構(gòu)部件使用EN-AW 5083-O/H111級(jí)鋁。用于有限元分析對(duì)比的乳化基質(zhì)罐鋁材力學(xué)性能表見表2。

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在有限元分析中采用雙線性應(yīng)力應(yīng)變曲線表征5083-O/H111級(jí)鋁的非線性材料性能。

雙線性應(yīng)力應(yīng)變曲線以2條直線段描述材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，見圖3。此模型適用于各向同性材料的小應(yīng)變問題，包括大多數(shù)金屬材料。

雙線性應(yīng)力應(yīng)變簡化公式和模型如下。

式中，σ為應(yīng)力，MPa，N/mm2；E為彈性模量，MPa，N/mm2；E1為屈服彈性模量，GPa；ε為應(yīng)變，無量綱常用百分?jǐn)?shù)表示；εs為屈服極限應(yīng)變；σs為屈服極限應(yīng)力，MPa。

2.4 載荷和工況邊界條件

進(jìn)行有限元模擬分析主要是計(jì)算乳化基質(zhì)罐固定在底盤上后，在滿載情況下靜置、移動(dòng)運(yùn)輸和正常使用過程中，遇到極端工況下乳化基質(zhì)的變形和應(yīng)力情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗(yàn)證和后續(xù)更改提供幫助。

經(jīng)過對(duì)比歐洲關(guān)于危險(xiǎn)貨物國際公路運(yùn)輸?shù)膮f(xié)議2012版（簡稱ADR）中6.8.2.1.2節(jié)內(nèi)容［4］和國家標(biāo)準(zhǔn)道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛第一部分金屬常壓罐體技術(shù)要求5.2.2.2項(xiàng)［5］，二者標(biāo)準(zhǔn)是近似的，這里以ADR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行舉例說明。

（1）在最大允許負(fù)荷下，儲(chǔ)罐及其緊固件應(yīng)能在最大允許載荷下吸收下列因素產(chǎn)生力量；在行進(jìn)方向:載荷質(zhì)量的2倍；與運(yùn)動(dòng)方向成直角的總質(zhì)量；垂直向上為總質(zhì)量；垂直向下為2倍的總質(zhì)量。

（2）罐形容器及其緊固件在最大允許載荷下，應(yīng)能吸收與下列所施加的相等的力。在運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榭傎|(zhì)量的2倍；水平方向與運(yùn)動(dòng)方向成直角時(shí)為總質(zhì)量（當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向不確定時(shí)，為各方向總質(zhì)量的2倍）；垂直向上為總質(zhì)量；垂直向下為總質(zhì)量的2倍。

ADR協(xié)議的描述是要求計(jì)算本罐體在運(yùn)輸工況中所承受的慣性力載荷時(shí)，最大質(zhì)量為最大允許裝載的乳化基質(zhì)質(zhì)量，計(jì)算罐體和附件連接在底盤上的運(yùn)輸工況中承受慣性力載荷時(shí)，最大質(zhì)量為最大允許裝載的乳化基質(zhì)質(zhì)量、罐體質(zhì)量、附件質(zhì)量之和。各工況為在前進(jìn)方向進(jìn)行加速行駛和緊急制動(dòng)，過彎時(shí)的離心力，顛簸時(shí)向上的慣性載荷以及向下的慣性載荷；下面以罐體空載和兩個(gè)獨(dú)立罐滿載乳化基質(zhì)量以及依據(jù)ADR要求列出運(yùn)動(dòng)工況載荷進(jìn)行列表說明，表中X、Y、Z代表三維空間坐標(biāo)，+、-代表方向。

2.4.1 空罐體載荷

將ADR中規(guī)定的定向載荷相對(duì)應(yīng)的空罐體應(yīng)用于表示空載的乳化基質(zhì)罐的有限元模型。表3總結(jié)了空載罐體載荷情況。

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2.4.2 裝載載荷

在罐體上施加正壓載荷，模擬ADR要求的定向載荷相對(duì)應(yīng)的乳化基質(zhì)靜壓力分布。基質(zhì)靜壓分布選擇計(jì)算的產(chǎn)品密度為1 350 kg/m3。荷載情況總結(jié)在表4中。

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在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置：①雙線性應(yīng)力應(yīng)變曲線假設(shè)極限強(qiáng)度發(fā)生在20%應(yīng)變時(shí)；②完全反向應(yīng)力（應(yīng)力幅度）。

2.4.3 約束條件

對(duì)于乳化基質(zhì)罐，在底部支架底板螺栓連接上施加平移約束（DX，DY）。在底部支架的底部應(yīng)用彈性支撐，以防止垂直方向（DZ）的移動(dòng)。對(duì)于代表頂部連接限位支點(diǎn)的剛性桿件，采用DX、DY和DZ組合水平剛性彈簧模擬栓接。

2.4.4 組合荷載

根據(jù)上述中描述規(guī)定的設(shè)計(jì)荷載，基于空載和滿載的線性疊加產(chǎn)生組合荷載。組合結(jié)果情況見表5。

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2.5 分析

對(duì)乳化基質(zhì)儲(chǔ)罐有限元模型進(jìn)行了考慮材料非線性特性的靜力結(jié)構(gòu)分析。計(jì)算結(jié)果中列舉了結(jié)構(gòu)位移量等值線圖和馮米斯等效應(yīng)力等值線圖（圖4~圖10），馮米斯應(yīng)力沒有力的方向性指標(biāo)，屬于標(biāo)量，使用應(yīng)力等值線來表示模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，它可以清晰地描述出一種結(jié)果在整個(gè)模型中的變化，從而快速地確定模型中的最危險(xiǎn)部分。由于篇幅原因只取幾幅冠梁數(shù)值較大圖形作為展示說明。

（1）在行進(jìn)方向?yàn)檩d荷質(zhì)量的2倍。

（2）與運(yùn)動(dòng)方向成直角的總質(zhì)量；罐體基本對(duì)稱取一個(gè)方向等值線圖展示。

（3）垂直方向?yàn)榭傎|(zhì)量。

（4）垂直向下為總質(zhì)量的2倍。

2.6 分析結(jié)果

2.6.1 變形撓度和應(yīng)力

變形撓度和應(yīng)力結(jié)果總結(jié)在表6中。

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在這個(gè)分析中，忽略了螺栓連接附近的局部應(yīng)力。模型未考慮受拉螺栓、結(jié)構(gòu)、底板表面接觸和摩擦受力。

2.6.2 結(jié)果總結(jié)

根據(jù)表6中計(jì)算總結(jié)的最大變形撓度和應(yīng)力值，可以看出2.0g水平載荷（-X）（混裝車在行駛中緊急剎車）的工況為最為嚴(yán)重的載荷工況，應(yīng)力值為145 MPa，分析載荷峰值應(yīng)力超過了5083-O/H111級(jí)鋁的屈服應(yīng)力，但小于5083-O/H111級(jí)鋁5×108次循環(huán)時(shí)的疲勞應(yīng)力幅值150 MPa。

生產(chǎn)建議如下。

（1）焊接結(jié)構(gòu)板和截面的連接應(yīng)采用與連接構(gòu)件最小厚度強(qiáng)度相當(dāng)?shù)娜竿笇?duì)接焊縫或連續(xù)角焊縫。

（2）底部支架安裝板和水平約束桿連接支架應(yīng)使用與EN-AW 5083-H34級(jí)鋁相同的結(jié)構(gòu)板和截面。

（3）所有剩余的結(jié)構(gòu)部件應(yīng)使用相當(dāng)于EN-AW 5083-O/H111級(jí)鋁的結(jié)構(gòu)板和截面。

（4）為保證固定螺栓的牢固可靠，所有連接用的固定螺栓設(shè)置相應(yīng)的擰緊力矩。因?yàn)椴煌娜藬Q螺栓時(shí)所用的力不同，有時(shí)光憑感覺不可靠。

3 結(jié)論與建議

對(duì)乳化基質(zhì)罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析得出，本設(shè)計(jì)符合ADR 2012標(biāo)準(zhǔn)第6.8.2.1.2節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)荷載條件的要求。乳化基質(zhì)箱在正常運(yùn)輸和作業(yè)情況下不會(huì)發(fā)生破壞。乳化基質(zhì)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后的驗(yàn)證，實(shí)物驗(yàn)證存在成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)和耗時(shí)長的問題，本研究介紹的鋁合金為原料的乳化基質(zhì)箱體達(dá)到了輕量化的目的，同時(shí)使用有限元進(jìn)行模擬仿真分析方法大幅降低了現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車的原料罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)證的成本，縮短了設(shè)計(jì)到產(chǎn)品定型的時(shí)間。