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东北大学硕士学位论文 摘要 无底架轻型油罐车罐体结构设计与分析 摘要 罐车是液体运输的最安全的方式。由于罐车的不断改进，以及铁路不断提高 效率和降低成本，罐车逐渐成为货主选择运输的主要方式之一，目前，在我国罐 车已经得到了广泛的应用，罐车运输已经影响到我们生活的每一部分，对国民经 济的发展有着重要的意义。 罐车与其它铁路工业一起发展，重点是继续保证运输安全。目前大部分的研 究和开发工作集中在改进安全性上。目前，负责轻油运输的罐车多采用无底架结 构，利用罐体承受各种载荷，在一定程度上保证了罐车运行的平稳性。随着国内 火车速度的提升，济南车辆厂原有的g 7 0 b 型轻油罐车无法适应火车多次提速的 要求，在较大的载荷冲击下，几十辆罐车的罐体出现了断裂的现象，因此需要对 罐车的罐体进行分析，研究其所受的载荷的分布，分析罐车罐体断裂的原因，以 便进一步采取局部加强、改善载荷分布等等的补救措施。提高运输安全性，更好 的为社会生产服务。 在分析和研究工作中，首先通过传统设计计算方法，对设计中的载荷确定、 选材、结构等问题进行了探讨，运用经验公式和材料力学的知识对罐车罐体的应 力进行了计算和分析，计算了评价罐体稳定性的稳定性安全系数，为罐车的传统 设计提供了设计计算的依据，丰富了罐车传统设计计算的内容，对今后罐车的设 计计算工作具有很好的参考价值。由于传统设计方法模型简化较大，计算精度相 对较低，所以决定采用有限元方法和计算机辅助的方法对罐体进行分析，以提高 效率，获得较高的精度。 本研究运用现代设计方法有限元分析对罐车进行了有限元分析，采用国 际流行的大型通用有限元分析软件a n s y s ，通过对g 7 0 b 轻型油罐车相关部件进 行计算机辅助设计和分析，包括静态分析、模态分析和瞬态动力学分析，针对罐 车的有限元建模、加载和分析等方面提出了一些新的方法和技巧，针对不j 司的工 况进行讨论和分析，获得较为精确的结构性能参数和受载结果参数，与传统设计 计算结果进行了分析和对比，针对有限元分析的结果提出相应的结构改善方寨， 从而为罐车的设计及结构改进和更新提供了科学的理论根据，拓宽了有限单元法 对罐车分析设计的领域，丰富了现代设计方法在实践中的应用。 东北大学硕士学位论文 本课题的研究为实践中的真实题目，对于罐车的设计、改进和生产运输具有 重要的现实意义。 关键词有限元罐车载荷实体模型应力应变 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g n a n d a n a l y s i s o f b o d y s t r u c t u r e o fo i lt a n k w a g o n a b s t r a c t t h et a n kw a g o ni st h es a f e s tw a yi nw h i c ht h el i q u i di st r a n s p o r t e d b e c a u s et a n k w a g o nw a su p d a t e d a n dt h e e f f i c i e n c y a n dl o w e rc o s t so ft h er a i l w a yi m p r o v e d c o n s t a n t l y ，t a n kw a g o nb e c o m e o n eo ft h em a i nw a y st h a to w n e ro fc a r g oc h o o s et o t r a n s p o r t t a n kw a g o nt r a n s p o r ti n f l u e n c e su si ne v e r yp a r to fl i f e ，a n d i th a si m p o r t a n t m e a n i n g t od e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y t a n kw a g o na n do t h e rr a i l w a y si n d u s t r yd e v e l o pt o g e t h e r , a n dt h ef o c a lp o i n ti st o c o n t i n u eg u a r a n t e e i n gt h es e c u r i t y a tp r e s e n tm o s tr e s e a r c hc o n c e n t r a t eo ni m p r o v i n g s e c u r i t y n o wt h et a n kw a g o n s f o rt h el i g h to i lt r a n s p o r ta r en ou n d e r b e d s ，a n dt h et a n k b o d y b e a r sa l lk i n d so fl o a d s w i t ht h ep r o m o t i o no ft h ed o m e s t i ct r a i ns p e e d ，g 7 0 b t y p el i g h t o i lt a n k w a g o no fj i n a n c a n tm e e tt h e r e q u e s t t h e s p e e d u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e st h a tt h er e l a t i v e l yg r e a tl o a da s s a u l t s ，s o m eo ft a n kw a g o nh a sp r e s e n t e d t h ep h e n o m e n o nr u p t u r i n g s oi t s n e c e s s a r yt oa n a l y s i st h et a n kw a g o n ，s t u d yt h e l o a d s r e c e i v e d ，a n a l y s i s t h er e a s o no f r u p t u r e ，i n o r d e rt o t a k i n g m e a s u r e st o s t r e n g t h e np a r t s 。i m p r o v el o a dd i s t r i b u t e ，t h u sw e c a ns e r v ep r o d u c t i o nb e t t e r d u r i n gm ya n a l y s i sa n dr e s e a r c hw o r k ，ih a v e s t u d i e dt h e q u e s t i o n sw i t ht h e m e t h o d so ft r a d i t i o n a ld e s i g na n dc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sl o a dd e t e r m i n i n g ， s e l e c t i n gas u i t a b l em a t e r i a l ，s t r u c t u r ei nt h ed e s i g n ，e t c c a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h e s t r e s so ft h et a n kw a g o nu s i n gt h ee x p e r i e n c ef o r m u l aa n dk n o w l e d g eo fm a t e r i a l m e c h a n i c s ，a n dc a l c u l a t e dt h es t a b i l i t ys a f t yf a c t o ro fa p p r a i s i n gt h eb o d ys t a b i l i t y , o f f e r e dt h eg i s tf o rt r a d i t i o n a ld e s i g no ft h et a n kw a g o n ，a b u n d a n tt h ec o n t e n to ft a n k w a g o nd e s i g n a l lt h e s eh a v eg r e a tr e f e r e n c ev a l u et ot h ed e s i g nw o r k o ft a n kw a g o n b e c a u s et h em o d e lo ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o di ss i m p l i f i e dr e l a t i v e l yg r e a t l ya n dt h e p r e c i s i o n i sr e l a t i v e l yl o w ，s od e t e r m i n e dt oa d o p tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da i d e d b yc o m p u t e r t oa n a l y z et h eb o d yi no r d e rt or a i s et h ee f f i c i e n c ya n d g e tr e l a t i v e l yh i g h p r e c i s i o n t h es t u d ya n a l y z e dt h et a n kw a g o nu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw h i c hi so d eo f i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o d e md e s i g nm e t h o d s a n a l y z e dp a r t so ft h eg 7 0 bo i l t a n k w a g o nu s i n g i n t e r n a t i o n a la n d p o p u l a rl a r g e s c a l e a n a l y s i s s o f t w a r ea n s y si n c l u d i n gs t a t i c b e h a v i o r a n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s a n dt r a n s i e n t a n a l y s i s d i s c u s s e d s t r u c t u r e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dj o a dp a r a m e t e r si n d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s a l lt h e s e o f f e r e ds c i e n t i f i cg i s tf o rt h ed e s i g na n du p d a t eo ft a n kw a g o ni nt h e o r y , a n dw i d e nt h e f i e l do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su s e di nt h ed e s i g no ft a n kw a g o n ，a n de n r i c h e dt h e a p p l i c a t i o no f m o d e r nd e s i g nm e t h o di np r a c t i c e s t h er e s e a r c ho ft h i ss u b j e c ti sat r u et o p i ci np r a c t i c ea n d i th a si m p o r t a n tr e a l i s t i c m e a n i n g s t ot r a n s p o r t ，d e s i g na n di m p r o v e m e n to ft h et a n kw a g o n k e y w o r d s f i n i t ee l e m e n t ，t a n kw a g o n ，l o a d ，e n t i t ym o d e l ，s t r e s s ，s t r a i n 声明 本人声明所呈交的学位论文是在张国忠导师的指 导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢 的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果。与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：酪锈灿 日 期：加砘2 - l 弓 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 罐车的发展状况及其应用 罐车是用来运送液体、气体和粉状货物的车辆。这些货物装在罐体内，罐体 是这种车型的一种特殊形式的车体。 1 1 1 罐车的历史及其发展 1 8 6 5 年，美国d e n s m o r e 兄弟将两个巨大的木桶放在平板车上，安装密封盖 后，将原油高效的运出。随着安全的提高和桶的有效运用，这些油罐车立刻得到 成功的运用。不久，随着d e n s m o r e 设计的改进和普及，位发明者将两个桶合 二为一，而将桶纵向放在平车上。1 8 6 9 年。为防止桶板问的泄漏，美国宾夕法尼 亚约克市的e m p i r e 运输公司将铆接的铁罐直接安装在木质底架上代替垂直的木 桶，在以后的9 0 年里，普遍保持了这种形式。在1 9 世纪乘0 余时间内，由于改进 很小，且是逐步改的，因此罐车的设计进展很慢。对罐车结构材料的选择，逐渐 用钢代替铁。这种材料强度更高、韧性更大，在寒冷的冬季几乎没有碎裂的倾向。 防止在罐内压力升高的安全阀开始出现。为保证乘务人员和装卸工的安全，增设 了通过台和栏杆。木质底架也被铁质底架代替。除石油产品外，其它商品也开始 用罐车运输。1 9 0 0 年，j o h nv a nd y k e 设计了一种罐车，采用双行铆的钢罐。为 了利用更强的罐体，他废弃了底架，把罐体直接铆接在连在中梁上的鞍座上，并 直接放在转向架上，牵引粱装在鞍座上。这是现代无底架罐车的前身。尽管早期 的铆接罐车得到很大改进，但还存在一些缺陷。由于罐体在运输中会弯曲，再多 的填物也不能将缝隙永远堵住。为了改装别的商品而清洗罐车也是问题，因为钢 板搭接处的铆接点往往会有残留物。1 9 2 0 年，焊接罐车开始使用，锻焊成为罐车 结构的标准方法。1 9 4 1 年，罐车逐渐开始采用熔焊，2 0 世纪5 0 年代，新一代巨 型八轴罐车产生了。罐体逐渐开始采用中碳、低合金、高强度钢。至六十年代， 进行了其它方面的改进，制造出镍、不锈钢、镀镍钢板的罐体。对罐体的内壁用 铅、玻璃和橡胶化合物作为衬里。罐体内壁涂层的喷涂可靠性得到改进，并继续 发展。7 0 年代至今，主要强调罐车的安全性的改进。经过多年的实践，肯定了四 轴大型罐车最为经济合理，即容积为1 1 4 1 2 8 m 3 ，载重7 0 8 0 t 。至今，大型罐车已 成为美国的主型罐车。法国使用1 1 0 m 3 的液氨和液化石油气罐车，同本已推广 7 4 5 m 3 的液化石油气罐车。在这些大型罐车中，不少采用无底架结构，也有采用有 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 底架结构的。通常罐车可分为非压力罐车、压力罐车和其它罐车。非压力罐车的 罐体壁厚相对压力罐车较薄，供通常情况下运输无危险和低蒸发压力、低介质有 毒液体货物，也包括食物如液体糖和蔬菜油；化学晶如乙二醇乙烯、橡胶浆和硫 磺；石油产品如燃料和润滑油及各种陶粘土泥浆。压力罐车罐壁更厚，装载高蒸 汽压力压缩的、液化的商品，以及常温下通常为气体的物质，这包括液化石油气、 氯气、无水氨和二氧化碳。 我国从1 9 5 8 年由大连机车车辆厂试制出第一辆无底架轻油罐车以来，至今已 有4 0 年的历史。目前已研制和批量生产了g 6 0 a 、g 1 6 、g 7 0 型轻油罐车，g 1 9 型斜底轻油罐车，k o 一2 型氧化铝粉罐车，u 6 0 w 型水泥罐车，h c r - - 1 0 0 2 0 型、 g q 型液化气罐车等近l o 个品种共计6 0 0 0 7 0 0 0 辆无底架罐车，并有数百辆出 口，运用情况良好。 目前，国内铁道罐车有6 0 m 3 、7 0 m 3 、1 0 0 m 3 三种定型产品，其中6 0 m 3 罐车正 逐渐被7 0 m 3 罐车所替代。1 0 0 m 3 罐车正逐步被用户接受。与国外罐车相我国 罐车仍存在较大差距，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 罐车容积小，载重量小 目前，6 0m 3 罐车仍是我国的主型罐车，其容积6 1 9m 3 ，载重2 5 t 。美国主型罐 车容积1 2 6 8m 3 ，载重7 6 2 t 。 ( 2 ) 罐车自重系数大，运输效率低 我国6 0 m 3 罐车自重3 3 t ，而日本同样规格的罐车自重仅2 7 8 t 。美国1 2 6 8 m 3 罐车自重仅4 3 1 t ，竟与我国1 0 0m 3 罐车自重相当。如果按每吨介质的用钢量来 计算运输效率，我国罐车比美国的低5 0 左右。 ( 3 ) 罐车底架结构落后 由于罐体的刚度大，加上纵向还有二分之一的承载潜力未发挥，纵向载荷完 全可以由罐体来承担。因此，国外大型罐车普遍采用无中梁底架结构，不仅可减 轻自重，降低重心，而且还简化了罐体与底架的连接结构。而我国1 0 0 m 3 罐车大 多为有中梁底架结构，无中梁底架仍局限于在轻油罐车上使用。 ( 4 ) 钢材强度低 我国罐车的罐体材料主要是采用o 。 4 0 0 m p a 的低合金高强钢 c f 一6 2 ，其壁厚分别为1 6 m m 和1 7 m m 。当罐体直径为3 0 0 0 m m 时，我国罐车筒体 壁厚为2 2 m m ，美国的为1 9 m m 。 目前，铁路罐车正在向大型化发展，采用了一些新技术： ( 1 ) 新型转向架的应用 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 根据我国现行铁路发展的技术政策，要求开发出满足铁路重载提速要求的货 车。目前罐车上普遍使用的转8 a 型转向架无法满足此项要求，株洲车辆厂和齐 齐哈尔车辆厂正加紧研制新型2 5 t 轴重低动力作用转向架( 即2 e 轴低动力转向 架) ，为罐车的大型化创造了必要的条件。 ll ，1 l il、 ，、 图1 - 1 新型无底架罐车罐体示意图 f i g 1 1b o d y o f o i lt a n kw i t h o u tu n d e r b e d ( 2 ) 采用无底架结构 美国、前苏联、日本的大型化罐车中广泛采用了无底架结构，以充分利用车 辆限界和罐体的强度、刚度来传递纵向力，降低车辆自重。目前，国内已研制和 批量生产了各类无底架罐车。无底架罐车具有自重轻、载重大、重心低、结构简 单等优点，由于没有中梁，使得罐体下部空间变大，有利于制动管路等的安装和 检修，并为罐体向下部扩展创造了条件，是我国大型罐车的主要发展方向之一， 如图1 1 所示。 ( 3 ) 采用新型罐体结构 大型化罐车罐体可采用鱼腹式结构，罐体由5 节简体和封头组成，封头采用 椭圆形封头，端部圆筒体和中央圆筒体间用1 节斜锥体过渡，如图1 1 所示。该 结构可以同时实现车体长度变短和降低重心，罐体刚度和强度均较好。 ( 4 ) 采用新材料 罐车大型化后必须采用高强钢，以降低自重、增加载重，否则大型化就失去了 意义。 无底架罐车具有很多优点：自重轻、载重大、重心底、结构简单、检修方便、 改善了托架处罐体的受力情况。以g 6 0 型有底架与g 7 0 型无底架轻油罐车为例作 以比较，见表1 1 。 由表1 1 可见，( 3 7 0 型罐车的车辆长度与g 6 0 型相当，但载重增加了9 t ，提 高了1 7 i 自重降低了2 9 ，自重系数降低了o 0 6 5 ；每延米载重提高了1 1 5 ， 因此大大提高了运输效率，具有很好的经济效益。 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 表1 1g 6 0 型与g 7 0 型罐车主要技术参数 技术参数g 6 0g 7 0 载重t5 36 2 i 自重t2 0 41 9 _ 8 h 罐体内径m m2 8 0 03 0 0 0 车辆眭度m m1 1 9 5 81 1 9 8 8 自重系数 0 3 8 503 2 每延米载重t6 1 26 8 2 空车车辆重心高，m m1 2 9 31 4 0 l 重车车辆重心高m m2 2 儿2 2 3 7 罐车与其它铁路工业一起发展，重点是继续保证安全。目前大部分的研究和 开发工作集中在改进安全性上，主要的发展趋势如下： ( 1 ) 新车的设计的疲劳寿命要求达到1 6 9 万千米；、 ( 2 ) 罐车的每一牵引梁要求进行失效容限分析； ( 3 ) 对环境造成危害的货物包装要求提高； ( 4 ) 为了减少无事故危险品的释放，明显提高了安全阀和排气口的释放压 力； = ：| ( 5 ) 满载为1 2 9 7 t ( 2 8 6 0 0 0 1 b s ) 的大型罐车正投入运营( 该趋势同其它货 车发展潮流) ； ( 6 ) 正在逐步采用罐车罐体、内衬和结构零件的定期检查和重新鉴定的严 格规范。 罐车是液体运输的最安全的方式。由于罐车的不断改进，以及铁路不断提高 效率和降低成本，罐车仍将成为货主选择运输的主要方式。 1 1 2 罐车的应用 目前，罐车已经在运输上得到了广泛的应用。在北美，罐车主要负责液体货 物的散装运输。北美铁道车辆中罐车占七分之一。在美国、加拿大和墨西哥，每 年有2 2 0 0 0 0 辆车运送3 0 0 万的装车量的货物。尽管通常罐车与危险品的运输有关， 但5 0 的货物是非管制的食品和工业产品。 在我国，罐车也得到了充分的应用，有高度专用化的运输酸的酸罐车、经过 优化的用于运输乙二醇的乙二醇罐车、专门设计成运输液化石油气的液化石油气 罐车、用于运输氯乙烯的氯乙烯罐车、运输谷物浆的谷物浆罐车等等。罐车运输 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 已经影响到我们生活的每一部分，对国民经济的发展有着重要的意义。 1 2 有限单元法的发展状况及其应用 有限元分析理论已有1 0 0 多年的历史，是悬索桥和蒸汽锅炉进行手算评核的 基础。目前，有限元分析在固体力学、流体力学、机械工程、土木工程、电气工 程等领域的得到了广泛的应用，与c a d 结合越来越紧密。 有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 进行 模拟。利用简单而又相互作用的元素( 即单元) ，就可以用有限数量的未知量去逼 近无限未知量的真实系统。 1 2 1 有限单元法的历史及其发展 自1 9 4 3 年，数学家c o u r a n t 第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续 函数的最小位能原理求解s t v e n a n t 扭转问题以来许多数学家、物理学家和工程 师由于各种原因都涉及过有限单元的概念。但由于即使一个小规模的工程问题， 用有限元分析都将产生较大的计算量。到5 0 年代中期，开始有人利用这种思想对 航空工程中的飞机结构进行矩阵分析。其分析思路是，将整个结构看作是由有限 个力学小单元相互连接而形成的集合体，每个单元的力学特性组合在一起便可提 供整体结构的力学特性。这种处理问题的思路，在1 9 6 0 年被广泛用于求解弹性力 学的平面应力问题，并开始使用“有限单元法”这一术语。结构分析的有限元方 法是由一批学术界和工业界的研究者在二十世纪五十年代n - - 十世纪六十年代创 立的。之后，随着电子计算机的飞速发展，有限单元法如虎添翼，经过3 0 多年的 发展，目前国内外已有许多大型通用的有限元分析程序可供使用。因而，工程技 术人员进行结构分析时的主要任务就是设法将复杂的工程实际问题加以简化、建 立合理的计算力学模型，然后再按所选用的程序的要求，准备好全部所需的数据 和信息，运用计算机进行求解，最后再检查计算结果的合理性。事实上，现在许 多大型有限元分析软件都已配备了功能很强的前后处理程序，并已出现了将人工 智能技术引入有限元分析软件，形成了比较完善的专家系统，逐步实现了有限元 分析的智能化。 我国在五十年代末期研制成功了第一台大型电子计算机( 1 3 0 型) 。当时，著 名数学家冯康教授以湖南拓溪水坝结构的应力分析为开端，进行了大量的研究探 讨工作，创立了一套现代化和系统化的求解微分方程的近似方法，并取名为“基 于变分原理的差分格式”，其内容在实质上就是当时国际上所称谓的有限元法。不 同的只是我国是从数学方面提出有限元法的。我国科学技术人员到七十年代中期 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 开始推广和应用有限元法。 滠 谴 钗 搿 1 0 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 1 9 6 01 9 6 51 9 7 01 9 7 51 9 8 0正 图1 2 有限元法的发展趋势曲线 f i g1 , 2t h e t r e n do fd e v e l o p m e n to ff i n e re l e m e n tm e t h o d 有限元法的发展趋势可用图1 2 所示曲线表示出来。在六十年代末期。有创 见的论文数的增长达到高潮，到了七十年代初期论文篇数的增长率逐渐减小，七 十年代中期以后就呈现出下降趋势，而且内容多数是应用方面的，这表明有限元 法作为一种数值方法在理论上已比较完备了。 1 2 2 有限单元法的应用状况及其重要性 几十年来，有限单元法己在各个工程领域得到了广泛的应用，相应的大型软件已 成为现代工程设计中个重要的、不可缺少的工具。在工程技术领域内常用的数 值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用 性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。特别是近年来，由于计算机辅助 设计在工程设计中日益广泛的应用，有限元程序包亦己成为c a d 常用计算方法 库中不可缺少的重要内容之一，并且与优化设计技术结合，形成了大规模的集成 系统。工程设计人员使用这些系统，就可以高效而正确合理地确定最佳设计方案。 现在人们主要是从事于扩展应用领域的研究。目前，有限元法的应用已由弹性力 学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力 问题和波动问题。分析的对象从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力 学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅助 技术相结合。有限元法在航空、航天、造船、建筑等方面已得到广泛的应用，在 化工、机械、海洋、水利、核能、地质、生物等方面也开始得到应用。主要呈现 以下几个发展趋势： 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 表1 2 有限单元法的工程应用 研究领域平衡问题特征值问题动态问题 结构的稳定性，结应力波的传播，结构对 结构r 程学，结梁、板、壳结构的分析， 构的固有频率和于1 f 周期载荷的动态响 构力学和宇航复杂或混杂结构的分析， 振型，线性粘弹性应，耦台热弹性力学与 i r ：程学二维与三维应力分析 阻尼热粘弹性力学 二维与三维应力分 土壤与岩石中的非 析，填筑和开挖问题，边 定常渗流，在可变形多 士力学，基础i 坡稳定性问题，土壤与结土壤一结构 孔介质中的流动一同 程学和岩石力构的相互作用，坝、隧洞、组合物的固有频 结，应力波在土壤和岩 些 钻孔、涵洞、船闸等的分率和振型 石中的传播，土壤与结 析流体在土壤和岩石中 构的动态相互作用 的稳态渗流 固体和流体中的稳态同体和流体中的瞬态热 热传导 温度分布流 河口的盐度和污染 湖泊和港湾 流体的势流，流体的研究( 扩展问题) ，沉积 流体动力学，水的波动( 固有频率 粘性流动，蓄水层和多孔物的推移，流体的非定 利1 ：程学和水和振型) ，刚性或 介质中的定常渗流，水工常流动，波的传播，多 源学柔性容器中流体 结构和火坝的分析孔介质和蓄水层中的1 f 的晃动 定常渗流 反应堆完全壳结构 反应堆安全壳结构的的动态分析，反应堆结 核子工程 分析，反应堆和反应堆安构的热粘性分析，反廊 些 全壳结构的稳态温度分布堆和反应堆安全壳结构 中的非稳态温度分布 二维和三维静态电磁场分 二维和三维时变、 电磁学 析高频电磁场分析 ( 1 ) 应用领域越来越宽：目前应用范围扩大到军事、航空航天、土木工程、 机械电子、生物医学等各个领域。 ( 2 ) 软件功能越来越强：从单一的c a e 功能转向c a d c a e c a t 一体化， 尤其是设计分析一体化。 7 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 ( 3 ) 越来越易于使用：目前已经从以专家为主转向普通设计者和开发工程师 为主。 ( 4 ) 专业融合：把分析( c a e ) 与试验( c a t ) 结合在起使用，形成一种 更为广泛豹“广义c a e ”技术，有时又称为设计评倍。 对结构分析而言，使现代结构设计方法从规范和经验设计向分析设计转变， 设计者在设计阶段就能从仿真分析中形象邋了解整个设计在受载后的应力、变形 以及动力特性，评估设计质量，寻找最佳的设计方案，将使结构设计质量发生质 的飞跃。从力学领域来说，有限元法除了用来求解救的线性静力问题外，难向 求解动力、非线性和各种场问题等方面发展。有限单元法的各领域的应用如表1 2 所示。 应用有限元法分析复杂工程结构和弹性理论三维空间应力等问题时都需采 用大量的离散单元，因而未知数很多，求解问题就需要使用大容量的计算机来完 成，而且计算前的准备工作量也很大，但往往实际需要的却是少数数据。由于近 几年内，要在我国发展和普及大容量电子计算机有定困难，因此，1 9 8 0 年在杭 州召开的全国计算力学会议上，我国知名学者钱令希、胡海昌等和许多到会代表 都纷纷指出，我们不仅要进一步普及和发展有限元法，还要探索与发展半解析半 漓散法和一切有效的数值方法，以便为小机器算大问题闯出一条新路子，从而使 。我国的计算力学研究工作更好地为社会主义建设职务。可以预计，随着现代力学、 计算数学和计算机技术等学科的发展，有限元法作为一个具有巩固理论基础和广 泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更重要 的作用，其自身亦将得到进步的发展和完善。 1 3 本课题研究的主要内容及意义 1 ，3 1 本课题研究的主要内容 g 7 0 b 型轻油罐车是为了降低铁路运输所尾车辆斡高度，满足运输稳定性的 要求和减少生产成本适应生产经济性的要求，而采用的一种无底架罐车。 由于g o b 轻型油罐车没有了底架，所以其所有作用在车辆上的载荷均由罐 体本身承受。随着国内铁路的多次大提速，原有的罐车无法适应火车提速的需求， 在经过初j i i 的实践后，几十辆这种油罐车在罐体与车架连绥处出现了因结构强度 不足而产生的断裂这问题。本课题主要对油罐车的传统设计进行了学习和研究， 对罐车进行了传统设计和分祈，分不同的载荷工况进行讨论。运用现代设计方法 有限元分析对罐车进行了有限元分析，包括静态分析、模态分析和瞬态动力 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 学分析，并对结果进行了分析总结。 通过传统设计计算，对设计中的载荷确定、选材、结构等问题进行了探讨， 运用经验公式和材料力学的知识对罐车罐体的应力进行了计算和分析，计算了评 价罐体稳定性的稳定性安全系数。 j 经过分析发现，油罐车在制动及加速时，产生的随时间变化的纵向惯性载荷 为主要的因素。此惯性载荷作用在罐体前后端中心的连线上，作用时间为车辆由 加速度最大变化为0 这一时间段，大小根据不同的工况而不同。由于罐车的罐体 为卧式整体筒型结构，壁厚较薄，故采用s h e l l ( 壳) 单元。罐车的有限元模型共 划分7 9 0 0 个单元，2 3 6 5 7 个节点。第一工况，纵向拉伸力取1 1 2 5k n ，压缩力取 1 4 0 0k n ；第二工况，纵向压缩力取为2 2 5 0 k n 。对于作用于罐体的纵向力则分别 针对这两个工况进行计算。进行模态分析，计算了罐车的前五阶固有振型，并得 到各阶振型下的变形图。进行了静态和瞬态分析，采用时间历程后处理器p o s t 2 6 找出了应力最大时刻，利用通用后处理器p o s t l 找出对应应力最大时刻的危险区 域和应力值。 1 3 2 本课题研究的意义 本研究采用了大量的有关罐车设计计算的经验公式和材料力学公式对罐车的 罐体进行的传统设计计算，为罐车的传统设计提供了设计计算的依据，丰富了罐 车传统设计计算的内容，对今后罐车的设计计算工作具有很好的参考价值。 随着计算机技术和计算方法的发展，现代设计方法逐渐成熟并占据了主体地 位，有限元方法逐渐得到广泛应用，复杂的工程问题可采用离散化的数值计算方 法并借助计算机得到满足工程要求的数值解。因此，本研究采用目前流行的大型 通用有限元分析软件a n s y s 6 1 对g 7 0 b 轻型油罐车进行了计算机辅助设计和研 究，从而为罐车的设计及结构改进和更新提供了科学的理论根据，拓宽了有限单 元法对罐车分析设计的领域，丰富了现代设计方法在实践中的应用。 本文的研究均为实践中的真实题目，对于g t o b 罐车的载荷分析、罐车模型 的建立、模型的简化、载荷的添加、分析的属性设鹭以及结果的观察均采用了较 多的处理技巧，具有很好的参考价值和重要的现实意义。 9 东北大学硕士学位论文第2 章轻型油罐车的结构分析及其设计方法 第2 章轻型油罐车的结构分析 及其设计方法 2 1 罐车介绍及其结构特点 罐车是用来装运各种液体、液化气体及粉末状等货物的一种车体里罐形的车 辆。这些货物包括汽油、原油、各种粘油、植物油、液氨、酒精、水、各种酸碱 类液体、水泥、氧化铅粉等。 罐车在铁路运输中占有很重要的地位，约占我国货车总数的1 8 。解放初期 我国只能生产载重2 5 t 、有效容积仅为3 0 5 m 3 的油罐车，1 9 5 3 年开始设计制造了 载重5 0 t 、有效容积为5 1m 3 的全焊结构罐车，以后又制造了有效容积6 0 m 3 、载 重5 2 t 的罐车以及有效容积7 7 m3 载重6 3 t 的各种罐车。目前我国生产的直径和容 积最大的罐车是中部直径为3 1 0 0 mm ，有效容积为1 1 0 m3 的g q 型液化气体罐车， 萁罐体呈鱼腹形。 罐车的标记载重过去是指装水时的重量，所以5 0 t 的载重量意味着罐体容积 为5 0 m 3 。现在的标记载重量是以实际所装运油类、酸碱类的比重计算的。由于 各种液体和密度不同罐车的实际载重量就须根据所运货物的性质来确定。因此， 罐车的装载能力以体积来度量更为合适。罐内液体的重量不是用过磅来量得，而 是测量罐体内所盛液体水平的高度，然后根据罐体容积表查得所盛液体的重量。 对于每一种规格的罐体，均有其容积折算表。 罐车均为整体承载结构，大部分罐车的车体都是由罐体和底架两大部分组 成。由于罐体是一个卧式整体简型结构，具有较大的强度和刚度，罐体不但能承 受所装物体的重量，而且也可承担作用在罐体上的纵向力。因此，罐车的底架较 其它货车底架结构简单，有的罐车取消了底架，称为无底架罐车。 2 1 1 罐车的分类 罐车运送的液体、气体和粉状货物都装在罐体内，罐体是这种车型的一种特 殊形式的车体。由于货物的品种繁多造成了罐车的结构形式各异。 根据运送的货物，罐车可分为两类： 供运输各种名目石油产品的通用罐车： 供运输某一货物的专用罐车。 东北大学硕士学位论文第2 章轻型油罐车的结构分析及其设计方法 根据承载构件的形式，罐车结构可分为：所有作用在车辆上的主要载荷由底 架承受的有底架罐车，以及所有这些载荷均由罐体本身承受的无底架罐车；有空 气包、无空气包罐车；上卸式和下卸式罐车。 按用途可分为轻油类罐车、粘油类罐车、酸碱类罐车、液化气体类罐车及粉 术货物类罐车。 此外，和其它类型的车辆一样，罐车也按轴数、载重量、罐体容积、设备、 材料和罐体的制造方法以及其它特征来区分。 2 1 1 1 通用罐车 通用罐车又可分为运送轻油产品的罐车( 汽油、挥发油等) 和运送重油产品 的罐车( 原油、矿物油等) 。由于轻油产品具有高的易燃性，所以在下卸式排油装 置的密封性能不够可靠的情况下，决定了运输这些货物的罐车应装设上部卸油装 置( 经气包) 。运输重油产品的罐车则设置下卸式排油装置。 通用罐车的上述分类是为了减少装货之前清理罐体内表面的繁重劳动和作 业时间( 当前后所运货物不同时需要这种清理) 。但是也正是由于这样的分类却增 加了罐车的空走距离，延长了空罐车在编组站上集结的停留时间，以及使罐车的 调度工作复杂化。 2 1 1 2 专用罐车 专用罐车分为：运送粘性货物的罐车；运送食品( 牛奶、糖浆、酒精、酒等) 的罐车；运送酸类( 硝酸、盐酸、硫酸等) 的罐车；运送液化气体( 丙烷、氨、 氯等) 的罐车；运送粉状货物( 水泥、矾土、苏打等) 的罐车；运送硬化货物( 沥 青、已内酰胺等) 的罐车；以及运送其它一些货物的罐车。由于各种酸类、气体 等等货物的不同特点，决定了上面所列举的各种类型罐车的内部结构有相应的差 异。由于专用罐车制造和数量不多，并且往往是在生产通用罐车的同一个工厂中 制造的，所以为了便于运用、维修和制造，这些罐车的底架、罐体支承部件走行 部分、以及其它许多构件均采用与通用罐车统一的结构。 2 1 2 各种罐车的结构特点 对于通用罐车，以日丹诺夫重型机器制造厂生产的载重为1 2 0 t 的八轴无底 架罐车为例介绍其结构特点，如图2 1 所示。这种罐车的结构和以前生产的罐车 不同，不仅它的载重大，而且也提高了罐体的比容积，这样就保证能较好地利用 车辆载重，并具有较大的每延米载重。在列车长度受到限制的情况下能显著地提 东北大学硕士学位论文第2 章轻型油罐车的结构分析及其设计方法 高列车重量，因而增大了铁路运输能力，减少了发展铁路通过能力的基本投资， 降低了运输成本，提高了劳动生产率。 图2 11 2 0 t 八轴无底架罐车 f i g 2 1 1 2 0 t8s h a f t so i lt a n kw a g o nw i t h o u tu n d e r b e d 1 罐体i 剜筒部分2 螺栓3 外梯4 气包5 内梯 6 排油装置7 环形钢箍8 一环形钢箍9 一端板 八轴无底架结构的罐车是在整体承载车体的概念已经得到普遍承认的基础 上，并以现代车辆制造技术的发展趋势为出发点而设计的。整体承载车体能较好 地利用车体所有主要构件的承载能力，其重量比底架承载的车体轻。具有封闭形 外廓、厚壁圆筒形结构的罐体，比其它型式的车辆车体更有利于用作整体承载结 构，于是出现了无底架罐车的设计。但是罐车所运的货物中大多数是易燃性物品， 因此要求更可靠地保证无底架罐车的强度。 罐车的罐体由圆筒部分1 和两个端板9 组成。罐体的圆筒部分由几块纵向布 置的钢板组成，其中下部纵向板( 加强板) 的厚度( 1 2 m m ) 大于上面各板的厚度 ( 9 m m ) 。在以前的罐车结构中，罐体的圆筒部分由底板( a n 强板) 和上部横向筒 板构成，这种结构的缺点是不便于采用机械化组装和自动化焊接，因为组成罐体 的构件数量多、形状不一、焊缝长，而且在纵横焊缝的交叉处有应力集中。因此 在现代罐车结构中，圆筒部分一般由几块纵向板组成。罐体端板呈椭圆形，其凸 出部分的高度与直径之比等于0 2 ，和以前采用的球面端板相比较，椭圆形结构的 经线弯曲比较缓和，由于应力的降低，端板的厚度能够由1 l m m 降低为l o m m 。 此外，采用椭圆形端板后罐体容积增加了o 5 m 3 。端板用对接焊缝与罐体的圆筒 部分连接，圆筒部分的各板之间也同样用对接焊缝连接。对接焊缝比以前采用的 搭接焊缝优越之处在于：焊缝区不存在由于壳体局部弯曲而引起的附加应力，焊 缝具有较大振动和冲击强度，检查焊缝质量的条件( x 光透视，y 射线检查等等) 较好，罐体的重量较小。 在最初的八轴罐车结构中，其罐体的端部设有凹槽，罐体在中梁上的支点被 安置在这个凹槽内。这样的结构使车辆的重心下降，可以改善罐车的稳定性及其 东北大学硕士学位论文第2 章轻型油罐车的结构分析及其设计方法 它动力品质，使车辆运行的安全性提高。这对于四轴罐车来说是特别需要的，因 为这种罐车的车辆定距比其它类型的车辆定距小。对于八轴罐车，采用凹槽结构 将使车辆制造工艺复杂化，其实际意义不大，因此放弃了这种结构。用环形刚箍 7 和8 来加强罐体，能使罐体的壳体自重较小而强度和稳定性得到提高。环形刚 箍位于罐体的中部和支承部分，参看图2 1 ，这些刚箍的横截面为q 形，焊接在罐 壁上，这种罐体和没有加强箍的罐体的差别是其罐壁厚度较小。计算和试验表明， 用这种方法加强的罐车大大降低了承载区的应力，提高了罐体在真空时( 在卸货 和蒸罐时有时会发生) 的稳定性，同时还增大了壳体的刚度及相应的自振频率。 但是用刚箍加强的罐体制造工艺较为复杂。 罐体支座是无底架罐车中较复杂而又重要的部件，因为要通过它把罐体上的 主要载荷传给转向架。罐体支座同时也是底架的悬出部分，它具有强大的中梁、 枕梁，轻型的端梁和侧梁。在中梁和端梁上装有车钩装置的零部件，在枕梁上没 有车体的支座( 心盘和旁承) 。为了能够在枕梁端部用千斤顶架起罐车车体从而推 出转向架，枕梁的长度采用3 0 0 0 m m 。 对八轴罐车结构的进一步改进是罐体不通过连结梁支持在两轴转向架上，而 是直接支持在转向架的旁承上。这样的载荷传递方式使车辆自重显著降低( 减轻 了2 5 3 0 0 ，从而也可提高车辆的载重。取消了制造麻烦而又笨重的连结梁，改 善了制动零件的布置，为走行部分的检查和修理提供了方便，同时，两个排油装 罨之间的距离和两个人孔之间的距离也增加了，使