关于铝合金油罐半挂车的轻量化设计初探

　　摘要：当前随着我国工业经济的高速发展、社会文明程度的显著提升，交通运输部门对车辆超载超限的打击、惩治也越来越严厉，超载管理和用户对利益最大化的追求一直是矛盾的,但用户追求利益最大化与制造商的轻量化车辆的设计和生产并不矛盾。因为只有在符合规范的前提下,尽可能提高车辆载质量,降低车辆的自重量,才能实现快速行驶和最大的运输效益,因此车辆轻量化技术一直是发展的方向。具有自重轻、承载性能好的铝合金式运油半挂车得到了较好的运用。

　　本文源自银幕内外【2020年第6期】《银幕内外》杂志是由中国新闻出版总署批准，四川省文化厅主管，四川文音像出版社主办，面向国内公开发行的省级重点艺术类学术期刊。国际标准刊号：ISSN 1006-4796，国内统一刊号 CN51-1088/J。本刊立足于学术理论前沿，关注影视产业，新闻传媒领域热点，促进理论交流，更好的适应信息社会发展的要求，现代化新媒体建设。我们的宗旨是向向读者提供影视、音乐、演出演艺、文化、旅游、时尚等方面深度解读，加深读者对艺术的理解力，提升读者艺术的鉴赏力，发现和培养艺术人才，同时推动影视、音乐、剧场演出等文化事业发展。

　　第一章 绪论

　　.前言

　　随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，城市的规模越 来越大，当今世界节能与环保日益引起关注，新能源的开发，电 动汽车的投入使用，汽车轻量化的设计研发成为各国纷纷推出的 措施。什么是汽车轻量化?就是在保证汽车强度、刚度和安全性 能的前提下，减小汽车的整备质量从而实现燃料能源消耗的减小， 降低排气污染。自前几年我国开始治超工作以来，作为运输危险 货物的液体罐车,治理的力度也逐年增加。专用车轻量化是我国 汽车工业在建设中国特色社会主义新形式下的要求，是建设和谐 社会的重要组成部分，也是推动我国商用车快速、持续、健康发 展的必由之路。

　　本文阐述了铝合金三轴油罐半挂车的轻量化设计，从罐体、车架、行走机构等各个方面进行了详细的说明。运用新技术、新工艺、新材料是提高产品竞争力的主要途径。CAE 技术已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术，在提高产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面都发挥了重要作用， 成为实现产品创新的支撑技术。使用 SOLIDWORKS 对设计的铝合金油罐半挂车进行三维建模研究，用 ANSYS 对其进行强度、刚度分析，获得油罐车的各项性能参数，对车架进行优化拓扑研究， 对罐体进行优化设计，为铝合金油罐半挂车的进一步研究奠定了基础。

　　.铝合金运输车发展背景

　　.国外发展状况

　　在欧洲和北美，为了实现汽车轻量化，铝合金被广泛应用于汽车工业，特别是载重和专用汽车。美铝公司开发了多种铝合金材料应用于厢式载货车、半挂车、自卸车、罐式车等等车型，铝合金材料在商用车上的大量应用顺应汽车轻量化的时代潮流。也是推动汽车工业向高水平前进。铝合金在商用车上的广泛应用， 特别是在罐车上的应用，加速了欧洲和北美商用车的步代。除了极少数运输特殊化学物品之外，欧美几乎所有罐体都是铝合金制造的，市场占有率高达 90%以上，因此本文将着重介绍铝合金材料在罐车上的应用。

　　.国内发展状况

　　铝合金专用车的发展在我国尚处于起步阶段。目前，我国半挂车(厢式半挂车、仓栅半挂车、平板半挂车)社会保有量约 300 万辆，专用车企业虽有部分品种的铝合金专用车进入市场，也得到了市场的接受，但其铝合金运输产品的份额还不足 1%。近几年， 铝合金罐车已呈现出一定的发展势头。国内部分改装企业采用铝合金材料，研发了不同车型和不同用途的铝合金罐式专用车。虽然目前铝合金罐进入市场的数量还不太多，但已经初步得到了用户的接受。从目前管式车的需求形式看，铝合金罐式车正在逐步得到用户的接受和认可，预计几年内，将会呈现出良好的发展态势。

　　.铝合金油罐半挂车研究的意义

　　1、首先半挂车是公路物资运输的重要车型之一，其运载重量大，经济能效高，同普通单体式油罐车相比，半挂油罐车运油能有效地提高运输效率。在同吨位的情况下，降低运输成本，节约油耗。

　　2、其次铝罐车基于自身材料的优越性要比碳钢罐具有很多优点。1)是自重轻带来的经济效益，铝的密度是 2.7g/cm?，而碳钢的密度是 7.8g/cm?,同体积的铝罐要比碳钢罐轻 1/3，总重量

　　-自身重量=最大载质量，降低自身重量相当于可以多拉货，例如一个 42 方的碳钢油罐半挂车的重量约 12.5 吨，同样容积的铝合

　　金油罐半挂车的重量约为 8.5 吨，能够降低 4 吨的重量，相当于可以多拉 4 吨的货，如果按照运价 0.2/吨公里来计算，一年跑

　　20 万公里就可以多挣 160000 元。2)在油耗方面铝合金挂车也很有优势，车重每减轻 1kg，运行 1 万公里就可以节省 0.7KG 的汽油。拉相同重量的货物，一年跑 20 万公里就可以节省 14 吨汽油，

　　约合人民币 130000 元。铝合金挂车在油耗上要低很多，同时铝合金的使用寿命也很长。

　　1)从结构设计的角度出发，利用有限元分析优化方法对车架结构进行结构优化，保证刚度和强度的前提下，减轻油罐车的自重。

　　2)从材料角度出发，利用铝合金这种轻质材料代替传统的碳钢以及不锈钢罐车产品，以此达到减重的目的。

　　目前我国超载超限查处非常的严格，国家规定车辆载重不能超过 55 吨，在运价持续下降的又想赚钱的情况下，很多人选择从卡车自身重量上下手，轻量化的卡车成为了很多卡友购买新车的选择。 以往在货多车少的年代，多拉耐造是卡车的主要特点， 然而环境在变自身重量=，现在的市场是车多货少，加上超载超限的治理，想要提升自身竞争力只能给自己的车瘦身了。说起铝合金挂车，据众卡 e 族了解一辆 13 米全钢挂车重量约 6 吨左右， 铝合金挂车只有 4 吨，能够降低 2 吨的重量，相当于可以多拉 2 吨的货， 在将铝合金应用到商用车这一方面，国外的施密茨和克劳耐等一线大厂已经进行了成熟的研发工作，并且广泛应用到各种运输场景中，我国也有一些厂家生产了铝合金挂车，这几年， 具有自重轻、承载性能良好的铝合金油罐半挂车得到了较好的运用。为此笔名者尝试将半挂车结合铝合金结构材料对油罐车罐体及车架结构进行轻量化的改进设计。

　　国内已有少数厂家生产铝合金半挂车，其中大部分零部件已经实现了“以铝代钢”，例如大梁、厢体等，极大的降低了车重; 随着车辆轻量化水平的不断提升，仍有不少零部件急需“以铝代钢”来进一步降低车重。

　　牵引组件是半挂车的主要结构部件，安装在半挂车车架的前端，其作用是传递向前或向后的水平拉力或力矩[3]。国内生产的半挂车，其牵引组件全部是钢质件，重量可达 110kg 以上，是除车架和悬挂座以外 ，传统的碳钢以及不锈钢罐车产品逐渐被铝合金罐车所取代。

　　第二章 铝合金油罐半挂车有限元分析

　　2.1.铝合金油罐半挂车研究内容

　　1)SOLIDWORKS 对铝合金油罐半挂车进行三维建模

　　2)研究铝合金油罐半挂车的承载能力和结构的合理性

　　3)对现有结构进行优化设计，在满足刚度和强度的前提下， 尽可能的减轻自重

　　4)完成优化后的铝合金半挂车的三维模型设计和二维图纸设计

　　2.2.半挂油罐车的介绍

　　半挂油罐车，是牵引头连接拖挂部分的油罐车，其组成分为两个部分，油罐部分和车架部分。同普通单体式油罐车相比，半挂油罐车运油能有效地提高运输效率。在同吨位的情况下，降低运输成本，节约油耗。

　　如图一为某油罐半挂车，包括油罐、车架、支承座总成、车架、牵引装置、管路系统、悬挂系统、制动系统、电气系统、静电消除装置、灭火器、工具箱、操纵箱等。

　　图 3-3 罐体图

　　半挂油罐车主要由半挂底盘、罐体、人孔盖、管路系统、油气回收系统、防溢流系统、导静电装置、气路控制系统、安全护栏、输油胶管和防护装置等组成。如图(1)示：

　　筒体最小厚度不包含材料厚度负偏差、腐蚀裕量以及加工制造过程中的工艺减薄量。

　　铝 或 铝 合 金 制 筒 体 的 最 小 厚 度 计 算 公 式 ：

　　图 3-4 铝合金油罐半挂车三维模型

　　2.5.铝合金油罐半挂车模型单元划分

　　本文通过 SolidWorks2016 与 ANSYS 之间的接口，将已建好的铝合金油罐半挂车三维模型导入 ANSYS AIM 中，并进行求解计算。

　　在 ANSYS AIM 中划分单元之前， 运用 SolidWorks2016 中的求和功能先将铝合金油罐半挂车的各个部件求和，以此来模拟实际工程中各个部件之间的焊接效果。然后对模型进行 ANSYS AIM 中的前处理工作。

　　由于导入 ANSYS AIM 中的模型为一个实体模型，根据有限元分析理论，单元选择合适与否决定着分析结果的计算精度和计算速度，考虑到铝合金油罐半挂车的整车结构，选择 ANSYS AIM 中的 4 节点四面体单元，即 Tet4 作为网格单元， 大小为 70mm。四面体 4 节点单元有四个节点， 分别位于四面体的四个顶点位置，四个节点既有 xyz 方向的位移自由度同时也具有分别绕

　　1———所用材料的筒体最小厚度,单位为毫米(mm);

　　0——— 按基准钢设定的筒体最小厚度,单位为毫米

　　Rm ———所用材料的标准抗拉强度下限值,单位为兆帕

　　A1 ———所用材料的断后伸长率,%

　　xyz 方向的旋转自由度，如图 3-5 所示

　　.结构材料强度与刚度

　　现在以该有效容积46m?的铝合金油罐半挂车车做为实例举例说明。该半挂车整车总质量：40 吨;整车外形尺寸(长×宽× 高)(mm)：12080mm*2530mm*3790mm;轴距：6600+1310+1310;前悬/后悬：1315/1545;罐体外形尺寸(长×宽×高)(mm):11650×

　　2498×1990(前),2100(后);运输介质为: 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)。;罐体有效容积 46m?;整备质量：7000(Kg);装载质量： 3300(Kg)。

　　罐体厚度 5mm 采用型号为 5454-H32 铝合金材质， 密度2.69E+03 kg/m?，弹性模量 7.00E+10 N/㎡，泊松比 0.330，屈服强度 2.05E+08 N/㎡，极限拉伸强度 2.75E+08 N/㎡。车架厚度 6mm 采用 5083-H321 型号的铝合金材质，密度 2.66E+03 kg/m?， 弹性模量 7.10E+10 N/㎡，泊松比 0.330，屈服强度 2.88E+08 N/㎡，极限拉伸强度 3.17E+08 N/㎡。悬架采用钢板弹簧悬架，整车结构如图所示

　　铝合金三维模型的建立

　　现有的铝合金半挂车主要有罐体和车架两大部分组成，其中罐体内设置了横向防波板。车架由腹板、下翼板、横梁三部分组成。忽略对分析影响不大的结构，利用 SOLIDWORKS 进行建模， 参数如表 3-1 所示，模型如图 3-4 所示。

　　表 3-1 铝合金油罐半挂车结构参数

　　图 3-5 四面体四节点单元

　　用 ANSYS AI 对铝合金油罐半挂车划分单元后， 得到节点99544 个， 单元 307766 个， 如图 3. 7 所示。

　　.工况的选择以及载荷约束的施加.载荷及边界条件

　　罐车主要承受自重、货物重量级惯性力载荷的作用。由于多种载荷联合作用，所以采取逐步施加载荷的方法，第一个载荷施加由于罐车自重产生的重力载荷， 在竖直方向施加加速度为.8m/s?的惯性载荷;第二个载荷施加液体自重，本文采取了液体压强的方法加载，将满载时液体的总质量采用均布载荷方式施加在罐体地面上;第三个载荷施加惯性力载荷，根据不同的工况将相应的惯性力施加在不同的部位。

　　对于不同的工况用不同的约束条件。半挂车前部有牵引销支撑在鞍座上，可简化为一个刚性支撑进行全约束。后部是悬架支座支撑，悬架通过板簧与三轴连接，三轴轴头连接钢圈作用于轮胎……，本文约束悬架的前进方向和垂直向上的自由度，有限元模型图。

　　油罐车在使用过程中通常有匀速行驶，过沟，爬坡启动，紧急制动等主要情况。所有工况均取满载情况( 液体密度为

　　840kg/m3 )。据以上所述，选择匀速行驶、过沟行驶、紧急制动、爬坡启动四种工况对铝罐车进行了强度分析， 其所受载荷分别如下

　　(1)匀速行驶，载荷由结构自重加上液体重量组成;

　　(2)过沟行驶，当路面不平时，即某个轮胎瞬间离地时， 载荷由结构自重加上液体重量组成;

　　(3)紧急制动，制动加速度取 a=5m/s2 ，载荷由结构自重加上液体重量及惯性力组成;

　　(4) 爬坡启动，公路纵坡坡度取 i =9%，启动加速度取 a=0.

　　23m/s2 ，载荷由结构自重加上液体重量及惯性力组成。

　　.对模型约束

　　(1)匀速行驶，在 xyz 坐标系下，约束为对牵引销板 xyz 方向的全位移约束，以及对四对吊耳 y 方向的位移约束，并采用刚性连接模拟焊缝位置。

　　(2)过沟行驶，在 xyz 坐标系下，约束为对牵引销板 xyz 方向的全位移约束，以及对第一对吊耳其中一个不进行约束，其余吊耳均采用 y 方向的位移约束，并采用刚性连接模拟焊缝位置。

　　(3)紧急制动，在 xyz 坐标系下，约束为对牵引销板 xyz 方向的全位移约束，以及对四对吊耳 y 方向的位移约束，并采用刚性连接模拟焊缝位置。

　　(4)爬坡启动，在 xyz 坐标系下，约束为对牵引销板 xyz 方向的全位移约束，以及对四对吊耳 y 方向的位移约束，并采用刚性连接模拟焊缝位置。

　　.铝合金油罐半挂车线性静态分析结果

　　经有限元分析计算， 铝合金油罐半挂车在各工况下的最大应力及位移如表 3-2 所示。

　　表 3-2 各工况最大应力及位移计算结果

　　匀速行驶时， 最大应力出现在牵引销板与下翼板连接处， 即第 34406 节点处; 最大变形出现在罐体的筒体下侧， 即第 76151 节点处。 具体应力、位移云图如图 3-6、 图 3-7 所示。

　　图 3-6 匀速行驶应力云图

　　图 3-7 匀速行驶位移云图

　　过沟行驶时,油罐车最大应力出现在罐体前封头与罐体筒体的连接处,即第 65119 节点处;最大位移出现在前封头中心处,即第 48631 节点处。具体的应力、位移云图如图 3-8、图 3-9 所示。

　　图 3-8 过沟行驶应力云图

　　图 3-9 过沟行驶位移云图

　　紧急制动时应力出现在罐体面封头与体简体的连接处，即 1729 节点处：最大位移出现在前封头节点处，即 47630 节点处，具体应力位移云图如图 3-10、3-11 所示

　　爬坡启动时，最大应力出现在后封头与罐体筒体连接处，即第 35990 节点处;最大位移出现在后封头中心处，即第 33910 处。具体的应力、位移云图如图 3-12、图 3-13 所示

　　图 3-12 爬坡启动时应力云图

　　图 3-13 爬坡启动时位移云图

　　.本章小结

　　首先介绍了线性静力分析的理论基础，然后将现有的铝合金油罐半挂车进行三维模型的建立，通过单元划分，施加载荷以及边界条件的确定，得到铝合金油罐半挂车在匀速行驶、过沟行驶、紧急制动、爬坡启动四种工况下的应力及位移。从分析结果可以看出各个工况的极值均处在安全使用范围之内，并且安全系数较大。

　　第三章 铝合金油罐半挂车优化设计

　　3.1.1.铝合金油罐半挂车罐体尺寸优化方案

　　尺寸优化中，为将模型的属性做为设计变量，导入 ANSYS AIM 中的模型为壳体，划分单元网格时，采用 4 节点四边形壳体单元。

　　首先对罐体内部的防波板进行尺寸优化。将防波板的厚度做为设计变量，将位移与应力作为约束条件，把质量做为目标函数。模拟防波板在罐体中的焊接形式为防波板施加边界条件，并将液体对防波板的压强及惯性力等载荷添加后进行优化，得到设计变量曲线及目标函数曲线，如图 4-2、4-3 所示。

　　图 4-2 防波板设计变量曲线 图 4-3 防波板目标函数曲线从图上可以看出防波板的厚度由原来的 5mm 减小到 2mm 左右，

　　质量也变为原有质量的 42%左右。

　　对罐体尺寸进行优化 ，以罐体的壁厚做为设计变量，同样吧位移和应力做为约束条件，把质量做为目标函数。在对罐体进行包括液体压强、惯性力等载荷的施加及模拟边界条件施加约束后进行优化分析，得到设计变量曲线与目标函数曲线如图 4-4、4-5 所示。

　　图 4-4 防波板设计变量曲线 图 4-5 防波板目标函数曲线

　　由上图可知，罐体壁厚由原来的 10mm 减小到 5mm 左右，罐体质量也减小为原来的 48%左右。通过尺寸优化，铝合金油罐车罐体质量明显降低，达到了减重的目的。

　　.优化后模型分析

　　通过拓扑优化与尺寸优化将铝合金半挂车进行了轻量化设计，对减重后的模型进行重新建模。建模过程中，罐体壁厚取 5mm, 一般情况下防波板厚度与罐体板厚度相同取 5mm，根据拓扑结果， 车架应保留 9 根横梁及左右对称的 9 对罐体托撑，为使罐体后端与车架保持良好接触，还保留了最后一对罐体托撑。优化后铝合金油罐半挂车具体结构参数如表 4-1 所示， 模型如图 4-6 所示。由 Solidworks 对模型质量属性的分析功能可知,优化后模型的质量为 8.08T，优化前的体积为 13.4T， 故经过结构优化，整个铝合金油罐半挂车质量减少了 40%。

　　表 4-1 优化后铝合金油罐半挂车结构参数

　　4-6 优化后铝合金半挂车模型图下面对优化后的整车模型进行刚度和强度分析。

　　将新建模型求和后导入 Ansys 中，划分单元网格，选择 4 节点四面体单元，得到 102326 个节点，314275 个单元。按照优化前四种不同工况施加载荷与约束，经过分析，各个工况的最大应力和位移如表 4-2 所示，其具体应力位移云图如图 4-7 图 4-8 所示。

　　表 4-2 各工况最大应力及位移计算结果

　　表 4-7 匀速行驶应力云图

　　表 4-8 匀速行驶位移云图

　　表 4-9 过沟行驶应力云图

　　表 4-10 过沟行驶位移云图

　　表 4-11 紧急制动时应力云图

　　表 4-12 紧急制动时位移云图

　　表 4-13 爬坡时应力云图

　　表 4-14 爬坡时位移云图

　　从优化后模型的分析结果可以看出，降低罐体材料厚度不但没有增大各个工况下的应力及位移，反而使其降低，更进一步保证了铝合金半挂车的使用安全性。

　　.本章小结

　　本章建立了铝合金半挂油罐车的整车有限元模型，并对匀速行驶工况、过沟行驶工况、紧急制动瞬间和爬坡启动瞬间进行了分析。分析结果表明整车应力分布均匀，强度和刚度满足设计要求。相比于碳钢，铝合金车架的质量减轻约 30%，从而大幅度增加了整车的最大装载质量，提高了运输效率。因此铝合金材质在专用车汽车零部件及整车结构中的应用前景广阔。

　　第四章 结论与展望

　　.论文总结

　　随着汽车工业的快速发展，世界能源的日益紧缺以及环境污染等问题的日益加剧，各国政府纷纷开始寻找新的节能减排的方法，其中轻量化设计是最主要的途径之一。本文先对铝合金油罐半挂车的刚度、强度进行分析，然后对整车进行结构优化，最后计算优化后铝合金油罐半挂车牵引销的合理位置并重新建模对其进行动静态特性分析。综合以上工作，提出如下结论：

　　1、现有铝合金油罐半挂车的刚度及强度均在材料的使用范围之内，并且具有较高的安全系数，可进一步进行优化设计。

　　2、通过对铝合金油罐半挂车的结构优化设计，减少了铝合金油罐半挂车车架横梁及罐体托撑的数目，使其分别由原来的十二根横梁和十对罐体托撑减少为六根和七对，并使罐体壁厚及防波板厚度由原来的 10mm 和 6mm 分别减小为 5mm 和 4mm，大大降低了原有铝合金油罐半挂车的整车质量，实现了对铝合金油罐半挂车的轻量化设计。

　　3、对优化后的铝合金油罐半挂车的静态特性分析表明优化结果满足使用要求，并更进一步地提高了整车的安全性;通过对铝合金油罐半挂车的动态特性分析得到其在空载和满载时的整车固有频率及振型，空载时罐车满足使用要求，满载时罐车在不理想路面行驶时易发生共振。因此，考虑到安全性的要求，应当避免罐车满载运输。

　　4、尽管只是初步对铝合金油罐半挂车进行了结构优化设计和静、动态特性分析，但为进一步对其深入研究提供了一些参考数据，具有一定的现实意义。

　　.论文展望

　　尽管经过对铝合金油罐半挂车的有限元分析和结构优化设计已经获得了一些研究成果，但是这些研究只是初步的。建议今后的研究工作可以从以下几个方面进行：

　　1、铝合金油罐半挂车在行驶过程中是复杂的承载体，影响其结构应力的因素很多，可以对其振动特性、疲劳强度等开展进一步的研究;

　　受计算机硬件资源的限制，在对铝合金油罐半挂车车架进行拓扑优化时单元网格划分较大，直接影响了优化结果的准确性; 同理，在对车架进行尺寸优化时，存在较大的困难。若条件允许， 可以在网格细化的基础上进一步开展拓扑优化工作以及尺寸优化工作。

　　3、对牵引销位置的确定仅从一个角度进行分析，没有进行全面探讨，有待进一步研究。

　　4、对优化后的整车进行分析时，未考虑半载或其它承载工 况时的固有特性，以及由于液固耦合造成的对整车冲击力等问题， 在以后的工作中应该进行深入研究。

　　5、油罐半挂车是专用汽车的主要品种之一，铝合金油罐半挂车不仅在性能上可以完全满足使用要求，而且具有质量轻、使用周期长、油耗低的优点。因此，用铝合金制作油罐车是其发展的方向之一。目前，国内对铝合金油罐车结构优化和性能的研究几乎是一片空白，加强这方面的工作是完全必要的。本文在这方面进行了有意的探索，我们相信，随着我国经济的发展，研究手段会进一步得到加强和提高，具有较高技术含量、适合我国道路运输条件的铝合金油罐半挂车一定会在不远的将来问世。

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