（车辆工程专业论文）运输槽罐防浪板优化设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的飞速发展，国家对基础设施建设投入力度的不断加大， 为国内物流行业的发展提供了一个广阔的发展空间。同时也为改装行业提出了新 的课题：必须提高新产品设计开发能力优化设计、降低整车整备质量、提高运 输效率。 p r o e 三维绘图软件、h y p e rm e s h 网格划分软件以及a b a q u s 有限元分析软 件，是世界上比较先进的、使用范围最广的机械系统力学分析软件。使用这些软 件，可以对很多复杂的模型进行受力分析，能为用户提供从产品设计、方案论证、 详细设计、到产品方案修改、优化甚至故障诊断等各阶段进行高精度的仿真计算 分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力 的目的。可以对运输槽罐的各种工况进行运动和受力分析，这项技术在发达国家 已经得到广泛应用。 目前，我国在这方面的研究还不多。本文在结合多年工作实践的基础上，采 用大型通用有限元分析软件对制动状态下运输槽罐防浪板受力问题进行了实例 分析和计算建立了运输槽罐制动时的有限元模型，并且对制动条件下的满载罐 体的防浪板进行了瞬态仿真分析，绘出了制动时防浪板的最大应力图和变形最大 点的幅值图，将不同厚度的防浪板按照运输介质的变化得出的不同结果，进行了 分析比较分析结果可以为运输槽罐罐体的结构动力学设计提供参考，为提高运 输槽罐的可靠性提供数值依据。 主要结论：所选材料的许用应力大于通过该种方式计算得到的该防浪板的最 大应力的3 5 倍时，该防浪板是安全的。 关键词：运输槽罐 罐体防浪板p r o e网格划分有限元 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to u rc o u n t r y sn a t i o n a le c o n o m ya n dm o r ea n dm o r e i n v e s t m e n th u n c hi n t ot h ei n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n ，t h e s ea d v a n t a g e sh a v e p r o v i d e dab r o a dd e v e l o p m e n ts p ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h el o g i s t i c si n d u s t r y a t t h es a m et i m es o m en e ws u h j e c t sa r ec o m ef o r t ht ot h er e a s s e m b l yi n d u s t r y ：r & d a b i l i t yo fn e wp r o d u c t sm u s tb ei m p r o v e d ，i n c l u d i n go p t i m u md e s i g n ，r e d u c t i o no ft h e w h o l ev e h i c l ee q u i p m e n tq u a l i t ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ec o n v e y i n ge f f i c i e n c y t h es o f t w a r eo fp r o e h y p e rm e s ha n da b a q u sa r eq u i t ea d v a n c e ds o f t w a r ei n 3 - dd r a w i n g ，c e l ld i v i s i o na n dm e c h a n i c a ls y s t e mm e c h a n i c sa n a l y s i s ，a n dt h eu s e s c o p eo ft h e s es o f tw a r e sa r eb r o a d e s ta tp r e s e n tf o rm e c h a n i c si n d u s t r y t h e s ec o d e s c a nc a r r i e ss t r e s sa n a l y s i st ov e r ym a n yc o m p l e xm o d e l s ，a n dc a np r o v i d eh i g h a c c u r a c yc o m p u t e dr e s u l t t oc u s t o m e rf r o md e s i g no fp r o d u c t ，v e r i f i c a t i o no f a l t e r n a t i v e s ，d e t a i l e dd e s i g nt om o d i f i c a t i o no ft h es c h e m e s ，o p t i m i z a t i o na n df a u l t d i a g n o s i s s ot h ea i m sc a nb ea c h i e v e dt h a tr e d u c et h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dc o s t i m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t ya n dt h ec o m p e t i t i v ep o w e r t h et e c h n o l o g yo fm o v e m e n t a n ds t r e s sa n a l y s i sa ta l lk i n d so fw o r kc o n d i t i o n si se x t e n s i v eu s e di nd e v e l o p e d c o u n t r y ni sn o tm a n yi nt h i sa s p e c tr e s e a r c hi no u rc o u n t r y c o m b i n e dw i t hm a n yy e a r s w o r k i n gp r a c t i c e ，t h i sa r t i c l ec a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h es t r e s so fw a v e - p r o o fp l a t eo f t r a n s p o r tt a n ku s i n gl a r g e s c a l eg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f t w a r e i nt h i sp a p e r f i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，t r a n s i e n tw o r kc o n d i t i o no fw a v e - p r o o fp l a t eo f t r a n s p o r t a t i o nt a n ki nf u l ll o a dw a sa n a l y z e di nb r a k ec o n d i t i o n ，t h em a x i m u ms t r e s s m a p a n da m p l i t u d ed i a g r 鼬i nm a x i m a ld e f o r m i n gp o i n tw e r ep l o t t e d a c c o r d i n gt o t h ec h a n g eo ft h et r a n s p o r tm e d i u m ，t h er e s u l t si nv a r i a n tt h i c k n e s so fw a v e p r o o f p l a t ew e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ea n a l y s i sr e s u l tm a yp r o v i d et h er e f e r e n c ef o r s t r u c t u r a ld y n a m i c sd e s i g no ft r a n s p o r tt a n k ss h e l l ，a n dt h er e s u l tc a np r o v i d e n u m e r i c a le v i d e n c ef o rr e l i a b i l i t yo ft r a n s p o r tt a n k m a i nc o n c l u s i o n s ：t h ew a v e p r o o fp l a t ei ss a f ew h e nt h ep e r m i s s i b l es t r e s so f t h es e l e c t e dm a t e r i a li sg r e a t e rt h a nt h em a x i m u mc a l c u l a t e ds t r e s s s3 5t i m e so fi t v 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：t r a n s p o r tt a n k ；s h e l lo ft a n k ；w a v e - p r o o fp l a t e ：p r o e ； c e l ld i v i s i o n ；f i n i t ee l e m e n t g i 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：妻弛 日 期：超! 丝：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 翩签名：啤日期：业 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 绪论 公司是由济南红旗汽车改装厂与德国考格尔车辆股份有限公司于1 9 9 4 年2 月共同设立的中德合资企业。公司全称为济南红旗凯沃特汽车制造有限公司( 原 济南红旗一考格尔汽车制造有限公司) ，位于美丽的泉城济南市2 2 0 国道3 6 6 号， 交通便利，产品囊括一百多个品种，是生产液罐车、挂车、厢式车、冷藏保温车、 自卸车、可交换车身运输系统和其他特种车辆的专业化企业。公司总投资2 9 4 0 万美元，占地面积2 6 6 万平方米，建筑面积1 2 万平方米，拥有员工6 8 0 人，其 中高级管理人员和高级工程技术人员9 0 名，现已形成单班年产4 5 0 0 辆各种专用 车的能力。德国的先进技术、全套国外先进设备，技术人员、骨干工人在德国的 严格培训，国际化的i s 0 9 0 0 1 质量保证体系，为生产高质量的产品提供了根本性 保证。 公司的专用汽车研究所由5 0 多位国内经验丰富的专家组成，不断汲取国外 专用车的先进技术，保持公司技术的先进性，做到与国际专用车的发展同步，在 国内专用车生产行业始终处于领先水平。 公司具备国内专用车生产行业最先进、最完备的c a d 计算机辅助设计系统， 保证了产品设计的科学性、合理性和规范化。 1 1 1 公司主导产品 液罐车系列产品是公司的拳头产品，可生产重型罐车、内承载式半挂罐车和 特殊材质罐车等，年产可达1 5 0 0 辆以上。公司具有丰富的罐式运输车的设计生 产经验。产品载重吨位从5 t 到5 0 t 等多种规格，品种齐全，功能完善，顺应了 我国罐式车发展规划和目标，有4 项实用新型专利技术的使用，加之罐体内防腐 处理使功能更完善。液罐车获国内唯一的“中国星火计划名优产品”商标使用权， 主要产品有自载式液罐车、半挂液罐车、流动售油车、流动可换加油车等。液罐 车的产销量在国内2 0 0 多个同类厂家中名列前茅。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 罐体生产工艺介绍 液罐车系列产品是我公司的拳头产品。近几 年来，公司不断对产品的结构、功能进行完善和 革新，产品始终走在市场的第一线，具有相当的 水平的竞争实力。公司具备年生产2 6 0 0 辆的能 力，有一条国内独一无二的专用液罐罐体生产专 业流水线。 ( 1 ) 、钢材经精剪下料后全部进行钢砂抛丸处 理，彻底清除氧化皮、浮锈及其它杂质。使焊接 质量大大提高，同时又使钢材表面通过钢丸冲击 达到表面钝化和消除显微裂痕的目的，大大增加了母材的抗疲劳操作能力、有效 地延长了使用寿命。 ( 2 ) 、罐体焊接全部使用二氧化碳和混合气体 保护焊机，焊缝成形均匀牢固，热影响区小，无 气孔夹渣等焊接缺陷，使机械性能和各项质量指 标得到可靠保证。所有焊接过程在罐体生产流水 线上均有焊接工装调整罐体焊接姿态，确保每条 焊缝都在平焊位置施焊，有效地消除了因焊接姿 态( 如立焊、仰焊、侧焊等) 而产生焊接质量缺 陷或隐患的可能性。 ( 3 ) 、罐体成形使用专用成形模具，在液压工 装上压制成形，既准确地保证了罐体几何尺寸， 又大大提高了生产效率。 ( 4 ) 、所有罐体内部全都采用导静电防腐涂料 刷涂进行内防腐处理，此工艺用于普通民用罐车 上在国内只有我公司一家。这不仅可以防止汽柴 油对罐体内壁金属的腐蚀，延长使用寿命，又保 证运输安全和油料清洁。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 、罐体漆前处理因有抛丸工艺在先，故直接采用磷化处理，钝化膜均匀坚 固，极大地提高了漆膜的附着力。罐体底漆和面漆均采用烤漆工艺，漆膜强度高、 亮度大、抗老化性强，经久耐用。 1 2 槽罐运输汽车发展概述 1 2 1 国内槽罐运输汽车发展现状 我国槽罐运输汽车1 1 的应用虽然较早，但全面发展始于2 0 世纪8 0 年代，比 发达国家晚了近3 0 年：经过2 0 余年，我国槽罐运输汽车发展很快，已成为经济 建设中的重要运输与作业装备，并且有着良好的发展前景。车载式槽罐运输车见 图1 - 1 ，半挂式槽罐运输车见图卜2 。 图卜1 车载式槽罐运输车 图卜2 半挂式槽罐运输车 据中国汽车工业年鉴2 0 0 5 年统计资料显示，近年来，我国专用车年销 量为：2 0 0 0 年2 9 5 2 万辆、2 0 0 1 年3 3 2 7 万辆、2 0 0 2 年4 8 5 2 万辆、2 0 0 3 年 4 4 5 4 万辆，2 0 0 4 年近5 0 万辆。目前国内槽罐运输汽车已占专用车年产量的 2 0 一2 5 ，呈现出向人性化、个性化、小批量、多功能、重型化、智能化、高档 化、多级化发展的趋势， 3 曾 霸 山东大学硕士学位论文 专用车制造业是劳动密集型、技术密集型、资金密集型、附加值较高的产业。 在发达国家，社会分工明确、精细，专用车的社会保有量较大，约占载货车保有 量的5 0 8 0 。而在国内汽车市场，2 0 0 2 年专用车仅占载货车保有量的2 1 2 。 目前我国槽罐运输车年增长速度远远高于全国汽车产量的增长速度。随着国家基 础设施投资力度的不断加大，社会分工的精细化发展，现代物流业的迅猛发展， 高速公路网络化的逐步形成，西部大开发战略的实施，这些都将促使槽罐运输车 的增长空间愈来愈大。槽罐运输车的重型化、大吨位的特征越来越明朗。加入 w t 0 后【习，国内该市场已成为世界汽车市场的一部分，而且业已成为国际市场的 竞争热区。这不但为我们一些槽罐运输车生产企业带来了商机，而且还促进了我 们槽罐运输车生产技术质量水平的整体提高。目前城市间槽罐运输车向高吨位发 展，城市内槽罐运输车向中低吨位发展。货运要以切实提高运输效率、降低能耗 和实现货物运输罐式化、确保运输安全为目标，调整车型结构，大力发展载重8 吨以上重型柴油车；鼓励发展适合承运冷藏货物、散装货物、液态和气态等货物 的特种槽罐运输车辆；积极推广槽罐运输车辆在货物运输领域中的应用； 预计2 0 0 6 年，国内重型专用车时期”来临时，国外重型车巨鳄将会充分利 用其技术、资本、营销管理模式”等优势，在中国内地建造生产基地，抢占重型 槽罐运输车竞争制高点，与国产重型槽罐运输车生产企业会猎于重型槽罐运输 车市场”，展开竞争。 1 2 2 与国外槽罐运输汽车行业的差距 目前，我国槽罐运输汽车行业与国外先进水平的主要差距以及存在的主要问 题表现在以下几个方面。 ( 1 ) 科技含量较高的产品缺乏自主开发能力 由于槽罐运输车生产批量大多数较小，开发新产品投入又较大，开发投入回 收期长，企业在技术上投入不足，在资金上缺乏，大多为仿造国外车型，个别车 型为引进国外产品的关键技术、关键件。我国槽罐运输车企业规模与基型车、乘 用车企业相比规模较小，技术力量薄弱，研发资金相对较少，大多企业重视基型 车及乘用车的开发而轻视了槽罐运输车研发。今后槽罐运输车是具有发展潜力的 车型之一，国内企业必须加以重视，加大研发及资金投入的力度。 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 槽罐运输汽车底盘( 特地为槽罐运输汽车设计的) 较为缺乏 目前国内生产的各类槽罐运输汽车中，8 0 以上是在普通载货车底盘的基础 上改装而成的。二类底盘轴荷分布按货车设计，这样使一些车型的载质量小，车 辆适应性、经济性欠佳，平顺性差。一些技术含量较高、结构要求较复杂、批量 较小的槽罐运输汽车底盘，目前基本是空白，主要依靠进口，国内基本上没有一 家专业生产槽罐运输汽车底盘的企业，这一现状已经极大地制约了我国槽罐运输 汽车的发展。 ( 3 ) 专用装置的开发能力和制造水平对槽罐运输汽车发展限制较大 我国槽罐运输汽车专用装置的关键件总体水平不高，如液位计、泵类、阀类、 控制仪表等现在还未达到较高的技术水平，高科技产品及高技术关键件仍需进 口，因此制约了高水平槽罐运输汽车的开发生产。 ( 4 ) 国内槽罐运输汽车生产存在散，乱、差问题 目前国内槽罐运输汽车生产厂多达1 0 0 多家，大多数为外购底盘进行改装生 产的中小厂，都没有形成较大批量生产，与发达国家相比较差距很大。机械化程 度低，手工作坊式的多，产品质量参差不齐；在生产工艺工装方面，由于缺少规 模的技术改造，国产设备、自制设备比重大，工艺水平低，限制了产品的质量和 档次的提高，制约了槽罐运输汽车的发展。由于产量小，难于实现经济规模，企 业的经济效益大多较差。个别车型相对受到行业的保护。如消防车在公安系统； 医疗卫生车在卫生系统；油田车在石油系统等。一些民企，外系统企业进入这些 领域还有一定阻力，不利于市场充分竞争，也不利于产品质量提高、技术进步和 价格降低。 ( 5 ) 国内槽罐运输汽车内涵较低，与世界先进国家的技术水平差距较大嘲 以美国为例，通常一个1 4 m 、载荷量2 0 t 的二轴罐式半挂车，车辆自重在 8 t 以下，换算成我国目前的1 3 m 长标准二轴罐式半挂车，自重约为7 t 。而我国 目前通常1 3 m 二轴罐式半挂车的自重均在9 t 以上。如果二轴半挂车轴荷受同样 法规的限制，美国的罐式挂车在满载时将比我国车辆多装约2 t 左右的货物，空 载运输时白重又轻2 t ，这对汽车列车的油耗、轮胎损耗都有较大的影响，其先 进的运输经济性不言而喻。 ( 6 ) 国内专用汽车管理方式不利于槽罐运输车发展 当前汽车行业使用的公告管理并不适应专用汽车行业，尤其是品种多、批量 5 山东大学硕士学位论文 小的特殊槽罐运输专用汽车。有的专用汽车就做一辆，如果还要做实验、上公告， 钱花得太多，另外时间上也不能满足客户的需要。因此，对槽罐运输汽车的管理 应该给予特别的政策。 1 2 3 国内槽罐运输汽车发展展望 一个国家专用车发展的状况如何，有一个比较直观的衡量标准，就是看这个 国家载货车的专用化程度。 围绕着1 5 个百分点的增长，5 年来，我国槽罐运输汽车行业取得了空前 的发展：已经具备2 0 万辆的年生产能力：企业结构不断优化，出现了能够参与 国际竞争的企业；产品品种、档次、工艺装备、自主研发等方面有了很大提高； 槽罐运输车已经基本实现从进口向出口的转变。 截至2 0 0 5 年8 月，2 0 左右的槽罐运输车企业拥有完备的产品研发体系，有 少部分产品已达到国际先进水平。如采用铝合金及不锈钢材料制造的槽罐运输 车。产品设计技术在“十五”期间得到较大发展，超过5 0 的企业采用c a d 技术 和优化设计技术，有的甚至运用三维技术进行模块化仿真设计【4 】。 值得一提的是，我国专用车底盘制约槽罐运输车发展的状况有了一定的改 善。一汽、东风、中国重汽、陕汽等企业通过各种方式加强与槽罐运输车企业的 联系与合作，将槽罐运输车企业作为用户的意识得到增强。底盘质量的提高和品 种的增加，为我国槽罐运输车的新品研发提供了保证。 近两年，我国到国外专用车企业考察过的人回来后，有一个共同的感受，就 是我国槽罐运输车企业的工艺装备并不逊色于发达国家的水平。“十五”期间， 我国槽罐运输车企业在下料、成型、涂装及其他主要装备方面【5 】，装备水平均有 很大提高，数控切割机、水下等离子切割机、数控剪板机、数控折弯机、智能涂 装线等先进的工艺装备，在很多企业中得到应用，为提高产品质量和可靠性起到 很大作用。 1 2 4 国内槽罐运输汽车的发展方向 罐式汽车包括常见的油罐车、散装水泥车、混凝土搅拌运输车，以及使用量 相对较少的液化气高压罐车、化工液罐车、吸污液罐车等。西部地区油气资源的 开发必然会带动石化炼油业的发展旧，因此大型油罐车的需求也会增大，大吨位 山东大学硕十学位论文 的半挂式油罐车增长比率还将加快。 据国家信息中心等部门预测，未来5 1 0 年我国汽车产量将以一个较高速度 发展( 超过1 0 ) ，我国公路路网体系已经比较完善，2 0 0 4 年全国公路通车里程达 到了1 8 6 万虹，其中高速公路近3 4 万l 【m ，汽车保有量已经超过2 5 0 0 万辆，并 且每年还有四、五百万辆的新车投入使用，等等因素促使油品消耗量猛增，炼油 厂、油库与加油站间大多数不会铺设输油管道们，采用汽车运输所需车辆数会逐 年上升，大幅带动了各种油品运输车的需求。2 0 0 2 年我国生产汽油4 3 3 6 万吨， 柴油7 7 3 6 万吨，进口成品油2 0 0 0 多万吨。其中大部分为车用，未来5 1 0 年我 国油品需求量随着保有量增多而猛增，毫无疑问罐式汽车市场前景广阔。 近年来市场对专用汽车产品技术含量的要求越来越高，一些能够满足特殊功 能要求的专用汽车底盘相继推出，一些高新技术产品和特殊( 专用) 装置开始在专 用汽车上得到广泛的应用，在一定程度上满足了用户对专用汽车产品的多样化需 求。 国民经济的发展促进了社会化分工，社会化分工有效带动了槽罐运输汽车的 需求。2 0 0 3 年，我国共生产各种专用汽车2 9 1 7 7 8 辆，其中罐式专用汽车3 3 0 9 4 辆，占专用汽车总产量的1 1 。2 0 0 2 年全国运油车生产2 7 9 2 辆，同比增长1 3 3 8 ， 2 0 0 2 年比2 0 0 1 年净增1 2 7 1 辆；2 0 0 2 年全国加油车生产5 3 4 8 辆，比2 0 0 1 年增 长7 1 2 0 ，净增加1 5 9 8 辆。这两种车型在制造工艺上有许多相同之处，这两种 车增加量及增速也较大( 1 9 9 8 年2 0 0 2 年运油车平均每年递增3 9 7 ，加油车平 均每年净增2 8 4 ) ，是两个旺销产品，其技术含量也不是太高，重型或半挂大 型油罐车的未来市场前景广阔。 1 3 罐式汽车介绍 1 3 1 罐式汽车定义及其特点嗍 罐式汽车是指装有罐状的容器，并且带有工作泵、用于运输液体、气体或粉 粒状物质，以及完成特定作业任务的专用汽车和专用汽车列车。 我国罐式汽车生产始于5 0 年代，到6 0 年代己初具规模，进入8 0 年代后， 罐式汽车的品种和产量都得到较大提高，在汽车运输中发挥了重要作用，归纳起 来有如下优点： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 提高了运输效率。由于罐体是装载物料的容器，可以采用机械化装卸方式， 大大缩短了装卸时间，加快了车辆周转，提高了运输效率。 ( 2 ) 保证物料在运输途中不变质。罐体通常是个密封容器，罐内物料不受气候 条件，若物料对温度有要求，还可做成隔热罐体、加热罐体等特殊结构的罐体来 保护物料。所以物料不易变质，也不易污染和泄漏。 ( 3 ) 改善装卸条件、减轻劳动强度。罐式汽车运输可实现装、运、卸机械化， 且都在封闭状态下进行，大大地减少了装卸工人人数和减轻了劳动强度，也减轻 了粉尘飞扬和散发异味。 ( 4 ) 节省包装材料、降低运输成本。物料散装运输，节省了包装材料，增加了 装载质量，使运输成本下降。 ( 5 ) 有利于安全运输。由于是密封运输，物料不会泄漏，即使是有毒物质，也 不会污染环境。对于易爆易燃物品，也不易产生意外事故。 但是，罐式汽车也有一些不足之处。因罐体是专用设备，只能装载规定的物 料，往往在返程时是空车；装卸货物要有相应的装料设备和接收设备。 i 3 2 罐式汽车分类 ( 1 ) 按运输货物种类和作业性质分类 a 、液罐汽车：用于装运液体物质的罐式汽车，如装运水、轻质燃油、润滑 油、酸类、饮料、牛奶、酒类等的罐式汽车。 b 、粉罐汽车：用于散装粉状物料的罐式汽车，如装运水泥、面粉、滑石粉、 粉煤灰等的罐式汽车。 c 、颗粒罐汽车：用于散装颗粒状物料的罐式汽车，如装运谷物、豆类、颗 粒盐、粒状塑料等的罐式汽车。其结构与气卸散装粉罐汽车基本相似。 d 、气罐汽车：用于装运液化气体的罐式汽车，如装运液化石油气、液氮、 液氧等的罐式汽车。 e 、其他专用罐式汽车：能完成某种作业的罐式汽车，如洒水汽车、沥青洒布 汽车等。洒水车带有前喷、后洒和高压喷枪；沥青洒布汽车罐体外设有隔热装置， 罐体无自吸能力，沥青注入是用地面沥青泵压入的，排放由汽车上的气压排放系 统排出。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 按罐体能承受的内压力大小分类 根据g b l 5 0 8 9 钢制压力容器，罐体按内压分级有下列四个等级( 单位： m p a ) ：低压罐体：0 1 p 1 6 ；中压罐体：1 6 p 1 0 ；高压罐体：l o p 一1 0 0 。 专用汽车中的液化气罐车，承受的内压在1 1m p a 以上，罐体设计要按照 g b l 5 0 - 8 9 钢制压力容器及有关规定进行。其他的罐式汽车，如液罐汽车、粉 罐汽车等内压均在0 6 m p a 以下，可不按此要求进行。 ( 3 ) 按罐体与汽车或挂车的连接方式分类 a 、半承载式罐车：罐体刚性固定在汽车或挂车的车架上，载荷主要由车架 承受，罐体只承受部分载荷，如我公司生产的车载式罐车和外承载式半挂罐车， 罐体容积不太大的罐车多采用半承载式结构。 b 、承载式罐车：罐体除作为容器外，还起车架作用，为无车架结构，全部 载荷由罐体承受，如我公司生产的内承载3 0 吨半挂油罐车。由于省去了车架部 分质量，所以在总质量一定的情况下，装载质量要比半承载式半挂罐车大一些， 这对提高运输效率是有利的。但对罐体设计和制造要求也相应提高。 1 4 罐体设计的总体要求 i 4 1 罐体介绍 ( 1 ) 定义 a ) 罐体：指由筒体、封头、注入口、卸料口等和其它必须设置的附件所构成 的装载液体货物的封闭容器总成。 b ) 金属罐体：主要指用碳素钢、耐酸不锈钢、铝或铝合金板材所制作的罐体。 c ) 常压：指工作压力不大于7 2 k p a 。 d ) 常温：指在正常大气压下，金属罐体环境工作温度为一4 0 + 5 0 ，非金属 罐体为一2 0 + 4 0 。 e ) 油罐总容量：油罐装满燃油的全部容量： f ) 余油量：不能通过油车管路系统排出的罐内燃油量； g ) 油罐额定容量：设计要求的能通过泵油系统泵出的罐内燃油量； h ) 膨胀容量：罐内燃油( 其体积为油罐额定容量及余油量之和) 膨胀用的额 山东大学硕士学位论文 外空间容量； ( 2 ) 罐车改装部分的总体结构 主要包括：罐体、人孔盖、吊耳、挡水板、管箱、人梯、加油管路、泵、管 路箱、轮罩、侧护栏、后防护装置、静电消除装置、灭火器、排气管及消声器和 动力输出装置。 ( 3 ) 罐体设计时主要分成罐体结构设计、罐体顶部结构设计和罐体底部结构的 设计三个部分。 罐体结构主要包括简体、封头和防浪板。若为双舱罐体还要加分舱隔板， 有时根据截面的大小和运输介质的变化，还要设计纵向防浪板。 罐体顶部结构主要包括人孔、起重吊耳、行走平台、挡水板或洒水管等装 置。人孔就是在简体上开一个直径5 3 0 m 的孔，作为人进入罐体内的工作孔；罐 体项部纵向对称中心线上设计有两个吊装罐用的起重吊耳；在罐体顶部四周焊有 挡水板，用来防止在从人孔盖的加油口加油时溢出的油污染罐体的外表，将溢出 的油控制在挡水板内并通过引水管引至地面，或不焊挡水板而装洒水管，洒水管 的主要作用是用来清洗罐体外表面的；在挡水板内还装有供人在罐顶行走的行走 平台。 罐体底部结构主要包括沉淀槽、辅梁、辅梁连接梁、罐脚等。沉淀槽的作 用就是在罐体内部的油流出的通道，在油流经沉淀槽时油中含有的杂质会沉淀到 沉淀槽的底部，起到过滤杂质的作用；辅梁和辅梁连接梁是用来支撑罐体的；连 接罐脚是罐体与车架的主要连接件，同时起辅助支撑的作用，在连接罐脚不好布 置时则辅以u 型螺栓来加强连接。 ( 4 ) 罐体容积的计算 当客户要求制作一个常温、常压下能运输l o 吨柴油( 比重0 8 5 ) 的罐体时， 根据q c t6 5 3 2 0 0 0 运油车、加油车技术条件规定，膨胀容量不得小于额定 容量的3 ，不得大于额定容量的1 0 ，余油量不得大于额定容量的1 ，则设 计罐体最小总容量为：( 1 0 0 0 0 0 8 5 ) xi 0 3 = 1 2 1 1 8 l i 4 2 罐体结构设计的要求 罐体结构设计：罐体结构见图卜3 山东大学硕士学位论文 罐体的结构根据需要应该有：简体、防浪板、加液口、放液口等。加液口 应该满足维修人员的进入和加注液体的要求，加油口盖上要有使罐内和大气相通 的通气阀，根据施工环境的要求由客户自己提出或由常规要求来确定，有时还要 有自加液和加液过滤的功能。放液口应该满足动力卸液和自流卸液的要求，有时 卸液过程中要有过滤的功能，同时确保罐内的液体全部放出，提高卸净率。简体 的作用是满足所装运的液体不能发生渗漏，对车辆运输过程中产生的冲击力要有 足够的抵御冲击的能力，同时要求空间利用效率最高，而且重心越低越好。防浪 板的作用就是确保能最大限度地减缓液体对简体的冲击，同时还有满足液体加 注和卸载时不能产生真空和内压，即其顶部要有气相平衡的通气孔。确保液体 能够完全卸干净，即底部要有液体完全流动的过液孔。保证维修人员能够在罐 体内各舱之间方便的通过，即要有供维修用的人孔。 图卜3 运输槽罐罐体结构 。 根据g b l 8 5 6 4 2 0 0 1 汽车运输液体危险货物常压容器( 罐体) 通用技术条 件中的4 、l 、8 、1 条的要求，采用碳素钢和耐酸不锈钢制造的罐体，其封头 和简体最小壁厚分别为：当额定容量小于9 6 m 3 时，最小壁厚为4 m ；当额定容 量大于等于9 6 3 而小于等于2 2 m 3 时，最小壁厚为5 m m ；当额定容量大于等于2 2 m 3 时，最小壁厚为6 m m 。而对内部防浪板的厚度没有明确的规定。我们设计人员在 进行罐体设计时，不但要考虑罐体的容积，同时还要结合运输介质的密度及其腐 蚀性进行设计。对于没有腐蚀性或轻微腐蚀的运输介质，当其密度小于0 9 t m 3 时，筒体及封头的钢板厚度按g b l 8 5 6 4 - 2 0 0 1 汽车运输液体危险货物常压容器 ( 罐体) 通用技术条件中的4 、1 、8 、1 条的规定执行，防浪板的厚度基本是 比筒体厚度小i m m ；当其密度大于9 0 0 k g 3 时就要根据经验相应地发生变化， 但目前仍没有一个可靠的理论数据作为参考，只能凭个人的经验，这就是本课题 需要解决的问题。 山东大学硕十学位论文 1 5 进行防浪板优化设计的意义 1 5 1 国内槽罐运输车生产的激烈竞争 我国槽罐运输车的发展速度在不断加快，专用化趋势越来越明显，企业结构 不断优化，出现了能够参与国际竞争的企业；产品品种、档次、工艺装备、自主 研发等方面有了很大提高；专用车已经基本实现从进口向出口的转变。且专用汽 车呈现出向人性化、个性化、小批量、多功能、重型化、智能化、高档化、多级 化发展的趋势，其增长速度远远高于全国汽车产量的增长速度。随着国家基础设 施投资力度的不断加大，社会分工的精细化发展，现代物流业的迅猛发展，高速 公路网络化的逐步形成，西部大开发战略的实施，槽罐运输车的增长空问愈来愈 大。竞争也会越来越激烈。 如今，很多企业拥有完备的产品研发体系，有一部分产品已达到国际先进水 平，如采用铝合金及不锈钢材料制造的罐式车、消防车等，产品设计技术在“十 五”期间得到较大发展，超过5 0 的企业采用c a d 设计技术，有的甚至运用三维 技术进行模块化仿真设计和优化设计。产品质量是企业的生命，激烈地竞争促进 了我国槽罐运输车生产技术质量水平的整体提高，谁设计的产品结构更合理、少 出问题或不出问题，产品的功能更加完善、安全性能和运输效率高，谁就会不断 扩大产品的市场占有率，在激烈地市场竞争中处于不败之地。 1 5 2 在槽罐运输车技术方面赶超国外先进水平 目前由于国内槽罐运输车生产批量大多数较小，开发新产品投入又较大，开 发投入回收期长，企业在技术上投入不足，在资金上缺乏，大多为仿造国外车型， 个别车型为引进国外产品的关键技术、关键件。我国槽罐运输车企业规模与基型 车、乘用车企业相比规模较小，技术力量薄弱，研发资金相对较少，很多企业没 有新产品开发，且技术人员也很少，大多为模仿其他厂家的产品仿造，对我国槽 罐运输车技术水平的提高非常不利。就是有技术投入的企业也是在功能上进行设 计，而在结构上进行优化设计和在材料上有所突破的则寥寥无几。所以我国槽罐 运输车企业在技术上的优化设计的紧迫性已经是燃眉之急了。要想实现国内槽罐 运输车与国际接轨，提高国内槽罐运输车的内涵，使我国槽罐运输车在技术方面 山东大学硕士学位论文 达到国外先进水平已势在必行。 1 5 3 国家轴荷法规及治理超限超载的要求 随着2 0 0 4 年4 月份中华人民共和国国家发展和改革委员会发布第3 l 号公 告，要求截止到2 0 0 5 年3 月3 1 号，各企业生产的所有公告内的产品必须符 合g b l 5 8 9 - 2 0 0 4 道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值标准的规定要求，否则 公安车辆管理所在新车注册登记时不予登记，严格查处超限超载车辆。货运要以 切实提高运输效率、降低能耗和确保运输安全为目标。该标准已经将汽车、半挂 车、汽车列车的外廓尺寸、轴荷及质量限值进行了严格的限定，谁设计的车辆的 整各质量越小，该车的运载质量就越大，他的运输效率就越高，实现的社会经济 性就越好。对于罐式运输车而言，在确保罐体不受损坏的前提下，罐体的设计质 量越小其运输效率就越高，可见对罐体及防浪板的优化设计是非常有必要的，对 节约国家能源，建设节约型社会是有很大的现实意义的。 1 。6 国内外对该课题的研究现状 为了更多地了解国内外对该课题的研究情况，在计算机网络上进行了大量的 相关资料的搜寻，与车载运输槽罐防浪板优化设计直接相关的资料没有查到，只 查到了利用液固耦合对运输槽罐壳体的受力状态分析计算的一些资料，在这方面 的资料并不多1 9 5 3 年n i o r d s o nf i 【9 】比较早的研究过储液容器的振动问题： 国内的研究主要关注立式储油罐的抵抗地震问题，温德超等 1 0 】对储液罐抗震的研 究进展进行过综述：孙利民等【l l 】曾应用液固耦合原理研究过铁路卧式圆形储油罐 ( 卧式罐) 动力学特征问题，对装载不同深度有自由液面液体的卧式罐进行了模 态分析与计算，得到了不同液体深度下油罐的固有频率并且绘出了其前四阶固有 频率的振形图，得出其固有频率值随液体深度的增加而逐渐降低的结论随着有 限元数值计算方法的发展和大型通用有限元软件的开发，可以利用数值模拟计算 的方法代替试验方法来研究液固耦合动力学问题孙利民等利用有限元分析方 法嘲，考虑了液固耦合1 如与罐壁柔性对储油罐结构的影响，得出罐体在制动状态 下，低频响应表现为流体自由表面波动( 即流体低频部分) 与结构的耦合作用：高 频响应表现为结构的振动与流体的内部压力波动( 即流体的高频响应) 的耦合作 1 3 山东大学硕十学位论文 用满载储油灌的危险区在罐体中间上部和支座边缘处交替出现危险时刻出 现在制动后的4 7 s ，第四强度理论相当应力最大值为4 1 1 1 0 7p a ，这为工程 设计和理论研究提供了参考依据。另外，做的比较多的就是地面贮罐的相关力学 模型的计算和分析。 在查到的对运输槽罐壳体进行受力分析计算的相关资料中，都是以铁路运输 罐为研究对象进行的，因为该罐体内没有防浪板，且在固定的铁路轨道上运行， 运输过程中的受力状况与车载罐体在运输过程中的情况相比有很大的差别： ( 1 ) 车载罐体在运输过程中因路面不平颠簸而产生的上下瞬间冲击载荷，对铁 路运输罐来说就成了有规律的简谐振动。 ( 2 ) 车载罐体在运输过程中不规则的左右晃动而导致的罐内液体对罐体的摇 摆力，使罐体产生变形。而铁路运输罐就没有这种情况。它只受到可预见的有规 律的离心力的作用。 ( 3 ) 在刹车制动时，两种罐体均会受到运输介质的惯性冲击力，不同点是：车 载罐体内有防浪板，将罐体内的液体分成多个小的分舱，整个罐内液体的冲击力 被各个防浪板所分担。而铁路运输罐体内部没有防浪板，所有罐内液体的惯性冲 击力只能由罐体壳体承受。 ( 4 ) 铁路运输罐体基本采用纯圆形的圆柱体结构，两端加碟形封头或椭圆形封 头，该结构比车载的其它各种截面形状的罐体的受力状况都要好得多。但纯圆形 截面罐体的重心太高，不利于车载方式的运输。 根据上述区别可见，两种罐体的受力分析采用的力学模型是不一样的。 在查到的地面储罐的受力分析计算的资料中，大多是分析地震1 蛔对储罐的影 响，采用的是简谐力加阻尼的力学模型。其它的全部都是采用静态力学模型，进 行静力学计算分析。 在这种情况下，我只能自己尝试着用几种简单的方式加载，来获得防浪板的 受力及变形情况。 若采用动力学研究方式，就要结合振动、冲击等相应的力学模型1 5 】【1 6 1 ，同 时可能还要用到流体力学中比较深澳的理论知识，或用液固耦合的计算方法，这 些对于我们目前的能力来说还不具备，而且时间也会很长，不适合现在去做，希 望在今后进一步加深研究深度和广度。 山东大学硕十学位论文 1 7 课题需要解决的任务 该课题通过应用三维绘图软件p r o e 建立罐体模型，再进行网格划分， 输入有限元1 7 1 软件施加载荷进行受力分析、输出分析结果，同时结合实际情况对 输出结果进行分析比较。 需要解决的任务为： ( 1 ) 简化模型，模仿实际罐体防浪板的受力情况对其施加载荷，与实际发生的 情况进行对比分析，同时观察防浪板是否存在结构上的应力集中情况，如存在， 如何进行改进； ( 2 ) 在运输介质相同的情况下，改变防浪板的钢板厚度，确定在该载荷下防浪 板不发生变形的极限厚度； ( 3 ) 确定几种不同运输介质条件下防浪板的最佳厚度。 ( 4 ) 对防浪板的具体结构进行优化设计，找出比现在的结构形式更好的结构。 山东大学硕+ 学位论文 第二章实体建模 2 1p r o e 软件总体介绍 随着现代工业的不断发展，计算机辅助设计与制造( c a d c a i ) 技术逐渐成 为提高工程绘图、产品设计、模具设计和加工水平的主导力量。任何单位和个人 要想在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须熟练掌握和应用计算机辅助设计 与制造( c a d c a m ) 技术。p r o e n g i n e e r 是由美哥1 町参数技术公司基于单一数据 库、参数化、特征、全相关及工程数据再利用等概念基础上开发的一个功能强大 的机械c a d c a m c a e 软件，它能将产品从设计到生产加工的过程集成在一起，让 所有用户同时进行同一产品的设计与制造工作。 p r o e n g i n e e r 强大的和独特的功能，主要表现在两个方面：一方面， p r o e n g i n e e r 所拥有的参数方法和基于特征的功能给工程师提供了前所未有的 方便和灵活。另一方面，p r o e n g i n e e r 所具有的独特的数据结构提供了从产品 的设计到制造过程的全相关性，任何处的修改都会引起其它有关地方的自动修 改。 p r o e 是功能强大的c a d c a m c a e 专业软件，它广泛应用于产品设计中，但 在技术支持方面，p r o e 操作复杂，对技术人员要求高。 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工列捌，它可绘制任意复杂形状的 零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面。用p r o e 生成曲面仅需2 步 3 步操作。p r o e 生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。 由于生成曲面的方法较多，因此p r o e 可以迅速建立任何复杂曲面。它既能作为 高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用， 功能仿真( c a e ) 模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画皮 难画骨，知人知面不知心”。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部 变