肖志远
中航复合材料有限责任公司,北京 101300
摘要：在社会发展下，我国的个领域随之不断发展。现阶段，液体箱凭借其较大的体积容量、较高的安全可靠性能和较灵活便捷的运输方式，在多式联运和工业生产过程中得到了越来越广泛的应用。在此背景下，该文探究了液体箱强度计算标准，在分析有限元结构的基础上，对液体箱的设计标准、规范及设计条件进行了综述，并探讨了它优化参数的确定方法和材料的选择，进而对液体箱的框架结构设计进行深入探讨，旨在为液体箱强度分析和设计水平的稳步提升提供更多参考。
关键词：液体箱；强度分析；优化设计
引言
当前我国经济社会飞速发展，液体箱在液体运输和气体储存与移动式运输等诸多方面有着较广泛的应用，凭借其投资额度小、实际装载能力大、运输安全性能高和成本效益强等诸多优势，得到了各行各业的广泛青睐。液体箱较高的安全可靠性、稳定性和足够的强度，是保证液体危险品安全运输的重要支撑。在考虑液体箱结构设计和实际使用过程中，在复杂度不断提升这一基本前提下，液体箱的设计往往参照ISO标准进行规范分析，液体箱的框架结构设计、强度设计以及罐体连接部位设计应用水平不断提升，但强度分析与优化设计仍旧存在一定问题，因此，对液体箱的强度分析与优化设计进行深入探讨与研究有其必要应用价值。
1液体晃动水击过程模拟与结果
该文以带有防波板的液体箱为模型，根据我国液体箱的实际应用情况，规定液体箱实际运行初速度为16.66m/s，进一步将液体箱的液体操作压力取值界定为101.325kPa，规定液体箱的实际充装率为85%。在该基础上，对液体箱的液体晃动水击内壁压力强度大小进行模拟研究，研究结果显示，在液体箱的初始制动阶段，汽车惯性力作用下的液体箱内液体向前涌动，而在液体箱关闭阻碍后向后涌动。整个过程中，液体箱内的液体将会对液体箱内壁产生较大的水击压力，其最大液体晃动水击压力为2.1MPa，大概率下作用于液体箱的前半部分。当液体罐车停止运行后，液体箱内液体还会微小的前后晃动，此时液体箱内壁最大压强值逐步接近静水压强值，图1即为压强随刹车时间变化的示意图。
图1压强随刹车时间变化示意图
2有限元分析
在对液体箱的强度设计进行应力分类研究时，研究人员须在应力分析前对液体箱进行有限元分析，从而得到液体箱的整体应力分布图，并给予线性化处理。在液体箱的有限元分析过程中，可利用节点在液体箱单元外表面、内表面甚至中间面的各项应力分量，计算出液体箱薄膜应力和整体弯曲应力值，进而根据薄膜应力值和弯曲应力值直接计算液体箱实际探查位置的薄膜应力大小，研究液体箱内外壁的薄膜应力强度和相当应力大小。在对液体箱的实体单元进行有限元分析时，可借助积分理论对其有限元进行处理探究。可借助壁厚大小值对不同应力分量进行积分，从而确定液体箱的薄膜和实际弯曲应力值分量大小，由此计算出液体箱应力处理线上薄膜的应力大小和内外壁薄膜弯曲应力值大小。
在此基础上，该文利用三维设计软件建立了液体箱的实体模型。在导入相关软件分析液体箱实体模型图的基础上，对实体模型图进行网格划分，得到有限元网格模型。以液体箱的4个底部角件部位全约束为主要条件，将不同情况下的不同荷载分布加载于液体箱对应位置，从而经过软件计算，按照液体箱受到内压力、重力和运动方向惯性力这一基本受力情况施加荷载时，根据液体箱整体部位应力图和液体箱框架结构应力分布图可知，不同工况下的液体箱整体应力变化值并不大，而液体箱的框架、连接支架等应力变化往往较大。
3液体箱的优化设计
3.1集装箱罐体结构优化
在液体箱的罐体结构优化过程中，使用全新的液体箱专利技术，在保证液体箱结构安全和强度可靠的基础上，取消液体箱传统模式下的上下梁结构设计，以底侧梁结构设计为主要连接部件，将液体箱的角件和液体箱整个罐体紧密联合，改善传统模式下液体箱整体受力不均匀的外在条件，使液体箱的横梁受力面能够保持在同一垂直面范围内，减少液体箱结构自重的基础上，简化液体箱的制造工艺和液体箱的焊接点数量。另一方面，在原有的液体箱连接圈与罐体的连接部位，取消传统模式的焊接过渡支撑构件，改用连接圆筒将液体箱的罐体和罐体框架的前后端框紧密焊接，保证液体液体箱制造方便的同时，有效改良液体液体箱的整个受力情况，降低液体箱自重达到节能环保。
3.2设计参数的确定
由于通常情况下的液体箱工作温度为-40℃~50℃，而根据IMDG（国际海运危险货物规则）标准可知，其设计温度不应低于50℃，因此，该文所研究设计的液体箱优化设计最高温度为55℃，最低设计温度为-40℃。该文所设计的液体箱设计压力为4bar。与此同时，进一步探究罐式集装箱的等效压力、计算压力、单位容量充装量、水压试验以及气密性试验压力等，该文所优化设计的液体箱水压试验压力值为6bar，气密性试验压力值为1bar。
就罐式集装箱运输过程中的等效压力和计算压力问题来说，由于罐式集装箱承受整个内部介质对其各个部分所产生的各个方向的惯性力，也就存在着不同运动方向，甚至与运动方向相互垂直的水平方向等应力值不同。通过相关计算可知，罐式集装箱运动方向上的惯性力荷载为2g，与运动方向相垂直的水平方向惯性力荷载为1g，垂直向上方向惯性力荷载为1g，垂直向下方向惯性力荷载为罐式集装箱最大质量的2g。等效计算罐式集装箱运输过程中的压力值，应取各个方向上的惯性力除以所对应力的罐式集中箱所有有效截面值中的最大值。根据计算可知，纵向运动方向上两个的惯性力荷载转变为0.06MPa，也就是说，罐式集装箱的整个计算压力值为2.26MPa。就罐式集装箱的单位容积充装量问题而言，由于液化气液体的罐式集装箱单位容积充装量应满足其所装介质50℃时，罐式集装箱罐体内部至少保留5%左右的气相空间。同时，由于50℃温度条件下的罐式集装箱内部介质实际重量不应超过罐式集装箱所允许的最大承载力大小。此外，还应进一步确保罐式集装箱罐体在60℃的温度条件下不全部充满液体。因此，该文所论述的罐式集装箱单位容积充装量为530kg/m3。
3.3框架设计
在液体箱的框架结构加强设计过程中，借助其连接，强化罐体两端端头的焊接，加强对两端端框的支撑设计，不断提高连接框架和罐体部分的紧密程度。与此同时，保证液体箱框架结构尺寸符合ISO相关标准及行业标准，在液体箱有限元分析过程中，确保框架结构强度满足横向要求、竖向要求、垂直向上要求和垂直向下的惯性力荷载要求，确保液体箱各模块荷载承受强度评定等级为安全。此外，针对特殊运送条件的液体箱，其有限元分析还应通过ISO1496-3标准中所要求的堆码试验、吊顶试验等各项力学试验，确保液体箱底部角柱和角件焊接完成后的承载力符合相关标准，更应保证框架部分对罐体甚至液体箱阀件的良好防护作用，避免在使用液体箱的过程中外界突发事件冲击力对液体箱的破坏。
结语
在液体箱的优化设计过程中，必须遵循ISO相关规范和行业标准，实现液体箱强度结构设计和外在条件保护，充分发挥其自重较小、安全性能较高和容积较大等诸多优势，为工业经济的腾飞做出应有的贡献。
参考文献
[1]朱迪飞，陈卫峰，丁春雄.无水液氨罐式集装箱箱设计[J].化工设计，2020（2）：149-151.
[2]刘元勇，冯延伸，陈明华.罐式集装箱的强度分析[J].制造业自动化，2015（4）：115-118.