罐车罐体的容积精确计算与尺寸反求方法研究

　　0 引言

　　罐车是车体呈罐形的运输车辆，用来装运各种液体、液化气体和粉末状货物等，罐车在运输中占有很重要的地位，约占货车总数的 18%。在罐车设计中，容积计算的准确性非常重要，计算的偏差会给运输链条的上游或下游企业带来经济损失，因此保证容积计算的准确性。罐体结构较为复杂，有各种形状的罐体截面、各式封头、隔舱板、阻浪板和支撑结构等。在罐体的设计中，由于内空间的不规则性，使罐体容积的精确计算成为罐体设计中的难点。大部分企业通常使用二维 CAD 设计，所以容积只能通过简化的数学计算得到，误差较大，很难满足客户要求。文献[1]的方法是将圆形和椭圆形截面的罐体分为罐身段和封头段，罐身段是一个柱体，利用柱体体积计算公式得到其容积，对于封头段，按与封头高度同高的柱体体积的三分之一计算，最后将得到的罐身段和封头段的容积相加，并减去罐体内部件的体积，即得到罐体的容积。这种方法只能适用于截面形状为圆形和椭圆形的等截面罐体，计算结果误差较大，而且罐体内部件的体积不容易计算。文献[2]提出的方法是利用微积分计算方法，总体思路与文献[1]相同，只是对于封头段，根据封头形状的函数表达式，利用三重积分计算得到其容积。这种方法的计算结果比较精确，但是只能适用于圆形截面的等截面罐体，对于其他罐体截面形状以及具有变截面的罐体则无能为力，而且遇到波浪型及其他非封头型隔舱板时，难以计算。

　　一般三维 CAD 软件没有提供针对装配体包围的封闭内空间容积的尺寸反求功能，因此，目前缺乏非常有效的精确计算罐体容积和基于容积的尺寸反求方法，国内外这方面的研究工作也很少。

　　本文提出一种基于 UG NX 软件的内空间分析器( Space Finder) 功能的容积计算和尺寸反求方法，以及一种通过将装配体转换到零件工作环境来得到其内空间实体表示，然后测量实体体积得到其容积，并在此基础上进行尺寸反求的精确方法，实例证明这种方法是有效和实用的。

　　1 相关概念

　　罐车的罐体如图 1 所示，主要由封头、隔舱板、阻浪板和一些其他构件组成。

　　1) 封头: 罐身两端的堵头，呈凸型，与罐身紧密贴合，有球型、椭圆型和蝶型等多种类形，其横截面有圆形、椭圆形、方圆形和方椭形等。

　　2) 隔舱板: 将罐体分割为多个独立分仓的板式部件。由于罐体完全分割，各独立分仓可以装载不同介质的液体。隔舱板横截面与封头的横截面相同。

　　3) 阻浪板: 防止车体运输过程中介质运动引起的动力冲击而设计的板式部件。阻浪板中设计有入孔，因此阻浪板并没有将两侧的罐体内空间完全分割，两侧空间属于连通区域。阻浪板有封头型、波浪型等结构形式，横截面与封头的横截面相同。关联性设计是一种自顶向下的设计方法，可以将产品的几何参数，以及变量等相关的要素建立关联关系。这种相关关系的建立主要依靠软件系统的支持能力，本文以 UG NX 的 WAVE ( What-if AlternativeValue Engineering) 和控制结构^[3-4]的支持环境为对象进行描述。