高压气体长管半挂车车架高强度钢板强度等代设计

高压气体长管半挂车车架高强度钢板强度等代设计
作者：董红磊李邦宪张君鹏
来源：《专用汽车》 2011年第12期
摘要：高压气体长管半挂车是输送高压气体的专用车辆，减小车架自重是提高单车运
输效率的有效途径。

对车架强度等代设计进行了研究，在车架结构优化的基础上用高强度钢板
A610L代替原钢板16MnL，使车架重量减轻了455kg。

强度等代设计后，车架强度余量增加，在
实现轻量化的同时提高了车辆的安全性。

关键词：高压气体长管半挂车强度等代设计轻量化Abstract Tube trailer is a special-purpose vehicle to transmit high pressure gas, and frame lightweight is aneffective way to promote transporting efficiency. The strength equivalent design of frame by using highstrength plate is studied. The frame is lightened by 455kg
by using high strength plate A610L instead of16MnL after structure optimization.
The strength margin increases after strength eqruvalent design, andsafety was improved while lightweight.Key words High Pressure Gas Tube Trailer; Strength Equivalent Design; Lightweight Design
中图分类号：U469.5+3.02 文献标识码：A 文章编号：1004-0226(2011)12-0064-03
1前言
高压气体长管半挂车是输送工业气体的专用车辆，它是将几只或十几只大容积无缝钢管通
过框架或捆绑形式固定在半挂车车架上，并将端部通过端塞、阀门和密封管路连通在一起的移
动式储运装置。

由于其用途的特殊性，要求在确保安全的前提下尽量提高运输效率。

在不改变
钢瓶容积的前提下，减小车架的自重是提高单车运输效率的有效方法。

车架减重的途径有两种：一是对车架结构进行优化，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻质量；二是采用高强度钢强
度等代，在保证结构不变的前提下通过减小壁厚减重。

文献对高压气体长管半挂车车架结构进
行了优化，使车架减重了557kg，轻量化效果显著。

本文根据文献提供的专用车构件强度等代
设计方法，对优化后的结构采用A610L高强度钢板等代设计，进一步减重，实现了轻量化。

2高压气体长管半挂车的车架结构
高压气体长管半挂车主要由车载气瓶、半挂车及其联接装置组成，常用框架式半挂车的结
构如图1所示。

车载气瓶固定于一个集装箱框架内形成集装箱管束，然后整体安装在半挂车车
架上。

半挂车既是运输部件又是承载部件，要求其既能够承受装载气瓶和介质的质量，又能够
实现平稳运输。

1前舱2半挂车3车载气瓶4后操作舱5框架
车架采用骨架式结构，由主纵梁和若干横梁组成，并可根据装载气瓶的特点进行改装。

纵
梁要求具有足够的强度和刚度，故选用优质工字钢，材料为16MnL，两纵梁间采用焊接横梁，
一般选用矩形、槽型或工字钢结构。

为提高车架的整体刚度，前后横梁与纵梁设计为闭合结构。

3车架强度等代设计流程及壁厚计算
3.1强度等代设计流程
由于车架由各种截面的型钢焊接而成，本质上属于薄壁构件，故利用高强度钢板进行等代
设计时，假设改进结构设计安全系数与原结构相同，则需要替换的高强度钢板构件的壁厚可按
式(1)进行计算，即
式中，(σs)σi和tσi分别为第i个构件原材料的屈服应力和壁厚；(σs)1i和t1i分别为第i个构件替换材料的屈服应力和壁厚；i=1，2，n为结构构件总数。

强度等代设计是在保证原结构形式不变的前提下，通过采用高强度钢板替换原钢板减小壁厚，具体流程如图2所示。

首先，根据原结构钢板的壁厚和式(1)计算出高强度钢板的壁厚，再根据高强度钢板厚度重新建模分析，以获取高强度钢板结构的强度和刚度数据，并与原结构应力富余进行比较。

由于
计算出的替换钢板厚度不一定满足实际钢板材料的具体规格和型号要求，因此需对计算厚度进
行圆整。

圆整时要考虑替换前后车架的强度富余情况及车架的刚度因素。

若替换后构件强度富
余变大，可将壁厚向下圆整，反之则向上圆整，以保证结构安全。

最后应验证圆整后车架的强
度和刚度。

3.2高强度钢板壁厚的计算
车架由2个纵梁和18个横梁组成，如图3所示。

纵梁上下翼板厚度t01=16mm，腹板厚度t02=8mm。

横梁由槽钢和矩形钢组成，槽钢厚度t03=6mm，矩形钢厚度t04=12mm。

由静力分析可知，应力较大区域主要集中在牵引销安装板处，如图5(a)所示，横梁2-1和2-5、2-6是主要承载部位，因此将这两个部位按照原壁厚替换为高强度钢，需要强度等代的部件为1工字型纵梁、2—2～4矩形钢横梁和3-2～9槽钢横梁。

由于原车架采用16MnL钢焊接，其屈服强度为[σ]=350MPa，此时用鞍钢A610L高强度、轻量化汽车用钢板进行等代设计，其C≤0.12%，具有较高强度及较好的韧塑性和焊接性能，其屈服强度[1σ]=550 MPa，伸长率≥22%。

根据式(1)计算出替换前后钢板的厚度，如表1所示。

4强度等代设计的有限元分析
对强度等代设计后的车架重新建模，在不影响精度的前提下，模型简化的原则包括：a对所有焊缝处视为固体连接，作为整体考虑；b忽略对整体应力分布产生较小影响的细小特征，如倒角和小孔结构。

单元类型选用具有超弹性、应力刚化、蠕变、大变形和大应变能力的SOLID185单元，选定控制尺寸为50mm，共划分246848个单元。

车架的整体有限元模型和局部放大图如图4所示。

钢板替换前后的应力变化如图5所示，应力较大区域仍集中在前端牵引座处，最大应力为354.293MPa，高于替换前的最大应力316.599 MPa，但小于A610L材料的屈服强度550MPa，且强度余量增加。

综上所述，采用16MnL钢板时，最大应力与材料屈服应力比值为0.9，而采用A610L高强度钢板替换后最大应力与材料许用应力比值为0.64，可见强度等代设计是偏安全的。

因此，圆整时尺寸应向下圆整，槽钢横梁壁厚圆整为5mm，矩形钢横梁壁厚圆整为10mm，工字型钢腹板厚度圆整为6mm，上下翼板厚度圆整为12mm。

对圆整后的车架重新进行应力分析，如图。

5结论
减小车架自重是提高车辆运输效率的有效途径，在车架结构优化的基础上用高强度钢板
A610L代替原钢板16MnL，使车架质量减轻了455kg。

强度等代设计后，车架强度余量增加，在实现轻量化的同时提高了车辆的安全性。