液體罐裝車罐體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

劉耀邦，程 章

（1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

液體罐裝車罐體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

劉耀邦1,2，程 章1

（1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

液體罐式車在運(yùn)輸行業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，相對(duì)較其他運(yùn)輸車輛，研究基于液罐車罐體部分的氣液兩相流固耦合現(xiàn)象和其工作狀態(tài)下的外界激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)，本文以相流模型作為理論基礎(chǔ)，建立該液罐車的整車UG模型和有限元模型，通過(guò)液罐車的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析及固有頻率與隨機(jī)振動(dòng)頻率的研究，能夠有效避免共振而引起的結(jié)構(gòu)局部變形或結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象.

液罐車；相流模型；有限元分析；模態(tài)分析；穩(wěn)定性

1 引言

罐式汽車[1-3]是指裝有罐狀容器的完成特定作業(yè)任務(wù)的專用車輛和專用汽車列車[4]，用于運(yùn)輸液體、氣體或粉粒或粉末狀物質(zhì).20世紀(jì)50年代起，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行罐式專用車制造.如今，罐式運(yùn)輸車基本實(shí)現(xiàn)多功能化、大容量化及自動(dòng)化.本文的研究對(duì)象——半掛式液體罐裝車實(shí)物圖如圖1所示.其罐體部分與車架部分剛性連接.罐體部分為封閉的伴有筒體、封頭、防浪板及管道的罐式容器.

本文重點(diǎn)考慮特殊工況下，液體產(chǎn)生的瞬態(tài)動(dòng)載荷可能產(chǎn)生的液罐車結(jié)構(gòu)失效，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者投入到固液耦合振動(dòng)方面的研究，俄羅斯和美國(guó)率先取得研究成果，1953年，Niordson F.I和V.N.Pi1ipchuk等人對(duì)儲(chǔ)液容器振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行的研究[5]，并將搭建模型進(jìn)行研究[6].20世紀(jì)80年代，以居榮初為首的液固耦合問(wèn)題研究成果應(yīng)用于實(shí)際抗震分析中[7].90年代，王世忠[8]等人更是取得突破性成果.

圖1 液罐車實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

2 歐拉多相流模型

氣液兩相流模型如圖2所示[9]，從圖2可見(jiàn)，氣體與液體之間存在明顯的界面.

圖2 氣液兩相流自由液面圖

當(dāng)各相質(zhì)量、動(dòng)量傳輸方程均不同時(shí)，引入歐拉多相流模型[10]，其方程為：

其中：Ta=c12(?2-?1)

多相流模型質(zhì)量連續(xù)方程：

多相流模型動(dòng)量傳輸方程：

其中：ρ：混合流體密度；U：平均速度；?：實(shí)際含氣率；p：混合流體壓強(qiáng).

3 罐體模型建立

液體罐式運(yùn)輸車常運(yùn)輸易燃易揮發(fā)液體，本文的液罐車用來(lái)運(yùn)輸環(huán)庚烷，環(huán)庚烷為無(wú)色油狀液體，沸點(diǎn)118.5℃，相對(duì)密度0.81（20℃），閃點(diǎn)6℃，燃點(diǎn)極低，化學(xué)特性不穩(wěn)定，其蒸氣與空氣混合時(shí)遇熱源和明火燃燒和爆炸的可能性極大.所以液罐車在運(yùn)輸過(guò)程中必須具有更高的可靠性，以防出現(xiàn)問(wèn)題.

3.1 液體罐式運(yùn)輸車UG模型

液罐車主要由罐體、防護(hù)裝置、管道系統(tǒng)、人孔、行走系統(tǒng)、滅火器、支撐裝置、車架、牽引裝置、扶梯等組成，在不同的工作條件下，應(yīng)力狀態(tài)是不同的.由于液罐車工作情況的特殊性，所以要求車架、罐體等主要部件應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度、剛度和形狀穩(wěn)定性，以承受復(fù)雜的各種載荷而呈現(xiàn)正常工作狀態(tài)，并且要求它的質(zhì)量盡可能小.基于此，對(duì)罐車模型進(jìn)行各工況的結(jié)構(gòu)靜力分析，找出結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中及較大位置.

該液體罐式運(yùn)輸車的參數(shù)如表1所示：

表1 液罐車參數(shù)

圖3 罐式運(yùn)輸半掛車的UG模型圖

根據(jù)液罐車的二維CAXA圖紙并參考液罐車實(shí)車結(jié)構(gòu)，進(jìn)行該易燃液體罐式運(yùn)輸半掛車三維建模工作，得到如圖3所示的易燃液體罐式運(yùn)輸半掛車UG三維模型.

3.2 有限元模型建立

根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，對(duì)罐式運(yùn)輸半掛車的罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略結(jié)構(gòu)受力較小部件，如行走平臺(tái)、人孔、滅火器、防護(hù)裝置、扶梯等；對(duì)于起著支撐作用的結(jié)構(gòu)，以約束來(lái)進(jìn)行處理.建立罐車有限元模型，經(jīng)過(guò)模型的簡(jiǎn)化、幾何模型的建立、建模的單元的選擇、網(wǎng)格劃分等，液罐車有限元模型如圖4所示.最后得到的結(jié)構(gòu)有限元模型共341516個(gè)節(jié)點(diǎn)，345042個(gè)單元.

圖4 罐式運(yùn)輸車的有限元模型

4 液罐車模態(tài)分析

固有頻率是研究動(dòng)態(tài)物體特征的重要參數(shù)，其數(shù)值與研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、形狀及材料屬性有關(guān)，因固有頻率與振動(dòng)狀態(tài)的強(qiáng)弱沒(méi)有關(guān)聯(lián)，但是外界的激振干擾頻率可能影響到液罐車的結(jié)構(gòu)建模及產(chǎn)生共振造成的結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)行液罐車結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，是為了明確液罐車的結(jié)構(gòu)模型以及不同模態(tài)時(shí)液罐車的固有頻率[12]，便于研究者了解外界的激振干擾頻率到液罐車的結(jié)構(gòu)建模的影響，并考慮共振現(xiàn)象存在與否.

圖5 各階模態(tài)云圖

很顯然，液罐車是一個(gè)多自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)體，其自身激勵(lì)難免造成車體振動(dòng)，外界激勵(lì)也會(huì)影響到振動(dòng)研究.比如路況的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的外界振動(dòng)激勵(lì)，尤其要注意隨機(jī)振動(dòng)頻率等同于固有頻率而出現(xiàn)的共振.當(dāng)液罐車工作時(shí)，其發(fā)動(dòng)機(jī)氣體燃燒出現(xiàn)的壓力變化和活塞工作的慣性產(chǎn)生的振動(dòng)是液罐車自身激勵(lì)的主要來(lái)源[13]，這些自身因素和外界激勵(lì)的頻率與液罐車某一階對(duì)應(yīng)固有頻率值接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，結(jié)果輕則引起液罐車的局部結(jié)構(gòu)變形，重則會(huì)造成液罐車的總成結(jié)構(gòu)破壞.

罐車固有振型有罐車的整體振動(dòng)和以罐車一個(gè)或幾個(gè)部分振動(dòng)為主的局部振動(dòng)兩大類.本文重點(diǎn)研究中主要考慮局部振動(dòng)模態(tài)，局部振動(dòng)模態(tài)圖如圖5所示.

前六階次振型的結(jié)構(gòu)固有頻率如表2所示，可見(jiàn)，液罐車第一階模態(tài)結(jié)構(gòu)的固有頻率為50.46Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外界激勵(lì)頻率，從液罐車的前六階結(jié)構(gòu)固有頻率可以看出半掛液罐車整體結(jié)構(gòu)振型平穩(wěn).

表2 前六階次振型結(jié)構(gòu)固有頻率

液罐車工作時(shí)主要激振頻率為路面不平度引起的激振頻率，值域[1Hz,20Hz]，其次為發(fā)動(dòng)機(jī)工作引起的頻率范圍較寬的簡(jiǎn)諧激勵(lì).根據(jù)頻率計(jì)算結(jié)果以及液罐車模態(tài)分析結(jié)果可知，液罐車一階模態(tài)頻率為50.46Hz，不僅僅高于路面激勵(lì)頻率，也高于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣體燃燒出現(xiàn)的壓力變化和活塞工作的慣性產(chǎn)生振動(dòng)的固有頗率，而且振型平穩(wěn)，可以確定外界頻率的激勵(lì)對(duì)液罐車的整車各階模型的影響可以忽略.

5 結(jié)論

根據(jù)半掛液罐車的自由模態(tài)分析，得到液罐車的固有頻率及前面六階的振型，根據(jù)分析，可知液罐車整體結(jié)構(gòu)的固有頻率值較高，集中在[50.46Hz,60.96Hz]值域范圍，外界激振頻率對(duì)其影響可以忽略不計(jì)，排除了液罐車因?yàn)楣舱穸鴮?dǎo)致的局部結(jié)構(gòu)變形及破壞，該研究為今后的液罐車瞬態(tài)響應(yīng)分析提供了可靠的理論依據(jù)和模型平臺(tái).

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安徽省2014年省級(jí)質(zhì)量工程：工程機(jī)械運(yùn)用與維護(hù)專業(yè)（群）教學(xué)團(tuán)隊(duì)（2014jxtd084）