危险品运输罐车后部防护装置仿真研

危险品运输罐车后部防护装置仿真研

张志超 方永红

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摘要：随着中国经济快速发展,各行业对危险化学品的需求量日益增加,危险品运输罐车保有量激增,与此同时危险品运输罐车交通事故显著增加,特别是危险品运输罐车发生的追尾事故是最为严重的交通事故类型之一,罐体破损容易引发泄露、污染、燃烧、爆炸等次生灾害。国家安全生产“十三五”、“十四五”规划将遏制道路重大交通事故作为安全生产工作的重中之重。标准JT/T1285—2020中新增后部防护装置的结构刚强度性能要求条款,以确保其对罐体的保护作用。

关键词：危险品；运输罐车；后部防护装置；

引言

随着道路交通的发展和机动车容量的增加，交通事故呈逐年增加的趋势。在交通事故类型中，有许多大型车辆和尾部事故。作为最广泛使用的危险液体运输手段，液体罐车是车辆设计的重要课题之一。发生追尾事故时，一种在防止二次伤害的同时，减少后车工作人员人身伤害和油罐损坏的方法。

1后部防护装置开发

危险品运输罐车不同于普通货物运输车辆,由于其所载货物的特殊性,危险品运输罐车追尾碰撞引发的次生灾害远远超过事故本身造成的伤害,危险品运输罐车发生碰撞事故极易造成群死群伤事故,同时还会对环境造成重大污染。因此,加强危险品运输罐车的防护措施,是减少事故发生的有效手段。所设计危险品运输罐车后部结构包括后下部防护结构1、后部防护结构2以及车架纵梁后端截取部分3。后下部防护结构在车架纵梁下方,在乘用车追尾危险品运输罐车事故中,阻止轿车钻入车架底板,防止轿车侵入过大或被削顶,进而保护乘用车乘员的安全。后部防护结构主要包含横梁及连接其与车架纵梁的斜支撑结构,后部防护装置主要在危险品运输罐车发生追尾、侧翻、冲撞事故中保护罐体安全,避免罐体破裂引发泄露、污染、燃烧、爆炸等次生灾害。后部防护设计的要点在于能够承受车辆后方纵向的冲击力,而后部防护装置横梁由于横向布置,难以承受纵向冲击力,需设置梁系将纵向冲击力传递至车身纵梁,由纵梁给予可靠支撑。采用DOE分析方法确定斜梁的布置角度、采用型材类型、材料板厚的最优方案,分析表明斜梁与纵向夹角越小,支撑效果越好,但受卸油管路箱体的布置所限,斜梁与纵梁焊接位置取纵向许用尺寸最大值;相同板厚下,方钢管的支撑强度大于槽钢的支撑强度,同一型材随着板厚的增加,支撑强度增加;采用单一斜梁支撑时,支撑刚强度达不到法规要求,斜梁与纵梁接触位置由于应力集中,应力及应变数值偏大,存在开裂风险,因此,后部防护装置单侧设置两个平行分布的斜梁,两端分别与后防护横梁及车架纵梁连接。

图1危险品运输罐车后部结构

2危险品运输风险评价体系

危险货物运输风险是各种风险因素综合作用的结果。为采取有效的安全控制措施应对风险，本研究以我国现行的道路危险品运输相关标准为基础，对生产过程中的危险有害因素进行分类和编码(GB / T 13861 - 2009)，道路物流文件的主要内容(GB/t 33458-2009)参照现行国家标准《危险货物道路运输——运输中的应急处置及范围、尺寸和充电》(ABNTNBR7503—2017)的特点，对道路危险货物运输中发生风险后的风险识别和应急措施有一个成熟的理论，本文对人员、货物和设备、环境等因素进行了分析人的因素包括人员健康、人员素质和专业技能。危险品的性质、运输设备和应急预防设备是影响货物和设备的因素。环境因素包括道路特征、天气状况、交通状况以及在运输过程中受影响人员的分布情况。管理、风险应急计划、运输时间、运输路线是管理等级的影响因素。

3吸能型后防护装置实车试验

改进后的模型的冲击速度设置为65公里/小时，如图2所示，总能量保持不变，沙漏能量和滑动能量相对较小，可以验证模型的有效性。改进后的模型碰撞速度比改进前有所提高，但根据规定，最大入侵度不到300毫米和400毫米。另外，公交车前部的变形对客人房间影响不大，表明改进后的保护装置起到了阻止车辆进入的作用。a柱的碰撞减少速度大于B柱和车辆座位梁。因为A柱比B柱更接近轮胎前面，碰撞时对车身前面的影响大于车身后面。从乘客碰撞安全性的角度来看，车身梁或B柱底部的碰撞降低率值具有更大的实际意义。

图2碰撞能量曲线

3有限元仿真模型搭建

有限元仿真模型能够准确模拟结构特征、材料力学属性、零件连接方式、试验工况等,并得到高精度的仿真模型。目前,有限元碰撞仿真分析在保证精准度的同时能够实现快速研发,已成为汽车设计最主要的研发手段,能够缩短研发周期并降低研发试验费用。采用Hypermesh软件进行静压有限元仿真分析模型的前处理,通过Hypermesh进行部件及加载装置的网格划分、板厚属性及材料参数的设置,并定义加载工况。由于结构型材均为薄壁结构,因此采用二维SHELL单元在各板件中面进行网格划分,为保证仿真精度,单元边长定义为8mm,并赋予板厚属性;各管件采用二保焊进行连接,在有限元模型中采用共节点或RBE2单元连接进行模拟,压头刚强度大,在实验时变形量极小,因此通过SHELL单元建立其外表面,并采用Mat20刚性单元模拟。材料本构关系的准确输入能够保证有限元仿真结果的准确性,材料属性定义时需输入准确的真实应力应变曲线,但钢材在不同应变率下表现出的性能不同,随着应变率的增加,钢材在同一应变下表现出更高的应力水平,且应变率越大,表现出的应力水平越高。车架纵梁、后防护及后下部防护均选用抗冲击性能良好的Q345B型材,由于静压测试压头对结构的压缩速度缓慢,因此不考虑应变率对材料参数的影响,其应力应变曲线如图3所示。试验时,截取车架纵梁部分前端通过螺栓固定在实验台上,此处通过在连接板螺栓孔边缘限制所有节点X、Y、Z三方向自由度模拟。定义完成的有限元仿真模型如图4所示。

图3Q345B应力应变曲线

图4静态加载有限元仿真模型

结束语

针对危险品运输罐车交通事故显著增加的现状,应用有限元仿真分析方法,建立所设计危险品运输罐车后防护有限元静压仿真分析模型,依据JT/T1285—2020静态加载试验法规对后防护装置开展静态加载仿真计算,获得加载力与加载位移关系曲线、安装结构应力、应变数据,仿真结果证明安装结构具有足够的结构强度及刚度,满足JT/T1285—2020静态加载试验法规要求。通过仿真分析研究,验证了危险品运输罐车后防护设计的合理性,与试验结果对比证明有限元仿真分析精度高、方法可靠。有限元仿真分析方法在保证仿真精度的同时能够实现快速研发,为危险品运输罐车后部防护装置的研发提供了研发思路及理论依据。后防护装置以JT/T1285—2020静态加载试验法规为依据进行研究,但实际追尾等碰撞工况下,涉及结构刚强度、碰撞加速度、碰撞能量吸收等问题,同时涉及碰撞相容性问题,因此,其力学性能表现如何需进一步研究讨论。

参考文献

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