基于流固耦合的半掛液罐車罐體結(jié)構(gòu)分析

王欣　戴汝泉　劉盛強(qiáng)　張竹林　燕榮杰

摘要：為了研究半掛液罐車罐內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)罐體的影響，本文利用有限元軟件workbench，并采用單向流固耦合方法分析了在不同充裝比下罐壁的受力分布。仿真分析得出：當(dāng)充液比為50%時(shí)液體的晃動(dòng)較為明顯，但當(dāng)充液比為90%時(shí)罐體所受應(yīng)力值較大。

關(guān)鍵詞：半掛液罐車；液體晃動(dòng)；流固耦合；應(yīng)力

1.前言

由于液體物質(zhì)的慣性和流動(dòng)性，液體在運(yùn)輸過程中，加速或上坡會(huì)使液體往后飄；減速或下坡會(huì)使液體往前飄；車輛在轉(zhuǎn)彎、側(cè)傾、制動(dòng)以及較差路面上行駛都會(huì)使液體發(fā)生不同的波動(dòng)。這種液體波動(dòng)沖擊不僅會(huì)對(duì)罐體產(chǎn)生極大的破壞作用，還會(huì)給車輛的正常行駛造成干擾，降低車輛的安全性。因此，對(duì)液罐運(yùn)輸車液體晃動(dòng)進(jìn)行分析非常重要。

國內(nèi)和國外關(guān)于罐內(nèi)液體晃動(dòng)的現(xiàn)象都做過許多研究，但在實(shí)用方面的探究還是停留在基礎(chǔ)的貯箱結(jié)構(gòu)層面。王惠明等人研究了液罐車在運(yùn)輸過程中發(fā)生緊急情況而采取制動(dòng)措施后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)內(nèi)部液體慣性力對(duì)貯液容器器壁受的沖擊作用。

2.分析模型的建立

為分析罐式運(yùn)輸車在不充滿、緊急制動(dòng)工況下的受力分布，通過Pro/E建立某半掛液罐車罐體的實(shí)體簡(jiǎn)化模型，并以ANSYS軟件為分析平臺(tái)，對(duì)實(shí)體簡(jiǎn)化模型進(jìn)行前處理操作，把創(chuàng)建的實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成有限元分析模型，為后續(xù)的數(shù)值分析做鋪墊。

2.1實(shí)體模型的建立

利用Pro/E繪圖軟件建立半罐液罐車的罐體簡(jiǎn)化實(shí)體，該罐體是由鋼板卷焊而成的空間板殼結(jié)構(gòu)，由簡(jiǎn)體，封頭，防波板以及隔板組成，其橫截面為橢圓形，前后簡(jiǎn)體由中間變截面橢圓形連接。罐體總長12450mm，寬2480mm，高2180mm，壁厚6mm。

罐式運(yùn)輸車罐體結(jié)構(gòu)材料（如防浪板）均是碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量為2.06×105Mpa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為2.35×102Mpa，密度是7800kg/m3。

為了簡(jiǎn)化實(shí)體模型，在保證力學(xué)性質(zhì)的前提下，對(duì)罐體模型做一些簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后模型的剖面圖如下圖1.1所示。

2.2有限元網(wǎng)格劃分

在創(chuàng)建有限單元模型時(shí)，需對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

由于條件限制，采用整體網(wǎng)格劃分方法的計(jì)算機(jī)計(jì)算量太大，因此在保證結(jié)果的基礎(chǔ)上，為了降低計(jì)算量對(duì)有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：

第一，在罐體模型中隔板將液罐體隔成兩個(gè)單室，然后在每個(gè)單室中加入若干個(gè)防浪板，因此，可以數(shù)值仿真一個(gè)單室來代替整體模型的仿真分析。

第二，雖然半罐液罐車罐體形狀為變截面，但罐體前后段的支撐重力方式不同，對(duì)仿真分析結(jié)果影響很小，因此將半掛車多腔室罐體轉(zhuǎn)化成雙腔室橢圓形罐進(jìn)行分析，經(jīng)前處理操作后的有限元模型如圖1.2。

2.3求解方法設(shè)置

本文基于單向流固耦合分析方法對(duì)罐體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，使用VOF多相流方法定義自由液面，選用k-s湍流模型進(jìn)行仿真分析，并選擇PISO算法處理速度壓力耦合。

3.仿真結(jié)果及分析

本文對(duì)充液比分別為30%，50%及90%三種情況下的半掛液罐車在緊急制動(dòng)情況下由于液體晃動(dòng)對(duì)罐體產(chǎn)生的作用力進(jìn)行仿真研究。

3.130%充液比的分析結(jié)果

半掛罐式運(yùn)輸車充液比為30%，制動(dòng)前車速是90m/s，制動(dòng)時(shí)開始計(jì)時(shí)t=0，制動(dòng)減速度是5.08m/s2，施加在z軸正方向。通過仿真分析得出罐體的應(yīng)力分布圖。

由圖2.1和圖2.2可以看出罐體前封頭的邊緣處應(yīng)力值最大。防浪板的卸料孔出的應(yīng)力值也較大。罐體的后封頭表現(xiàn)出受力較小的情況，罐體簡(jiǎn)體的應(yīng)力值沿z軸正方向逐漸增加。

3.250%充液比分析結(jié)果

初始條件和充液比為30%的參數(shù)設(shè)置相同。該充液比下，液體已經(jīng)超過防浪板的人孔位置，防浪板的緩沖作用更加明顯。

由圖2.3可以看出中部防波板的受力最為明顯，達(dá)到應(yīng)力的最大值，而后封頭應(yīng)力變化則較小。這是因?yàn)楸M管液體有一定的沖擊，但由于中部防波板的存在，對(duì)液體的沖擊作用形成了很大一部分緩沖作用。由圖2.4可看出筒體的應(yīng)力和充液比為30%表現(xiàn)出相同的情況，但數(shù)值要明顯大得多，應(yīng)力高出一倍，這表明充液比為50%時(shí)要比充液比為30%時(shí)危險(xiǎn)。

3.390%充液比的分析結(jié)果

由于液罐車裝載時(shí)，并不是百分之百充滿，考慮到液體的膨脹系數(shù)、溫度、工況等因素，充液比為90%時(shí)即認(rèn)為是滿載。

從圖2.5，圖2.6可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在前封頭與簡(jiǎn)體交界處，防波板，應(yīng)力分布情況和30%充液比的應(yīng)力分布情況相差不大，但應(yīng)力值較大，對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定的威脅。

4.結(jié)論

通過對(duì)30%充液比，50%充液比及90%充液比三種不同的工況的仿真分析，得出當(dāng)充液比為50%時(shí)液體的晃動(dòng)最比30%充液比下的液體晃動(dòng)明顯；而當(dāng)充液比為90%時(shí)，由于罐體上部空氣很少，液體隨著罐體一起運(yùn)動(dòng)，因此液體晃動(dòng)程度較前兩種情況較小，但是整個(gè)罐體所受應(yīng)力值較大，對(duì)罐體結(jié)構(gòu)造成一定危害。