基于雙向流固耦合的鐵路客車水箱沖擊分析

戴忠晨　閆海寧　劉建軍　付寧寧

摘要：以鐵路普通客車水箱為研究對象，針對列車在加減速過程中對水箱內液體沖擊晃動的問題，通過采用雙向流固耦合方法進行仿真分析。得到了箱內氣液兩相流分布狀態(tài)，獲得水箱應力時間歷程圖和水箱位移歷程圖，實現對水箱結構強度更為準確的研究分析。通過與無防波板時水箱進行比較，進一步明確了防波板在受到沖擊時所起的緩沖作用，為鐵路客車水箱結構的設計提供了實用可靠的分析方法。

關鍵詞：水箱;雙向流固耦合;數值分析;結構強度

中圖分類號：TG457文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0079-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.13

0 前言

鐵路客車水箱是列車必備設備之一，用以保證列車上乘客和乘務人員的飲用以及生活用水。隨著鐵路列車的大幅提速，在列車加減速時水箱所受到的沖擊晃動作用明顯增強。因此，利用雙向流固耦合方法對水箱內的液體進行晃動沖擊仿真，找出水箱結構的薄弱環(huán)節(jié)對保證列車安全穩(wěn)定的運行具有重要意義。由于水箱結構相對復雜，目前國內外對鐵路客車水箱結構的相關研究較少[1]，大多以結構形式相對簡單的儲液容器為研究對象。如陳志偉[2]以移動式壓力容器為研究對象，利用FLUENT軟件對帶自由液面的液體晃動進行仿真分析，研究了液體晃動對壁面的沖擊作用以及容器內的防波板裝置的分布情況。茍興宇等[3]基于航天耦合動力學，對不同類型模型的耦合理論進行了深入研究。劉奎等[4]以罐車為研究對象，利用FLUENT軟件，通過VOF模型對制動時的液體晃動過程進行了仿真分析，并與實驗結果進行對比，研究防波板在整個晃動過程中的作用。劉小民等[5]研究了鐵路罐車剎車過程中的液體晃動，發(fā)現罐體端面受力隨充液比的增加而增大。徐剛等[6]通過對罐車進行仿真分析，得出了罐箱減速的初始階段流固耦合對罐箱的運動影響最大。上述研究主要針對儲液容器在結構安全性方面的設計，其研究方法是將流體域的計算結果通過插值的方法加載到固體結構的邊界上，都是利用單向流固耦合方法。此類方法既不能獲得儲液容器隨時間而變化的應力分布情況，也不能反映通過固體結構變形對流體域的影響。本文基于歐拉描述法多相流模型，利用雙向流固耦合方法，根據《GB/T 21563-2008軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》的相關標準，獲得了液體沖擊晃動過程中箱體應力的時間歷程圖和水箱結構的位移歷程圖。

1 計算模型及計算方法

1.1 水箱結構

鐵路客車上的方水箱為不規(guī)則長方體，尺寸為2 650 mm×810 mm×410 mm，重282 kg，容水量800 L，如圖1所示。方水箱由水箱頂面、水箱底面、縱向防波板、橫向防波板、扎帶、吊座組成等零部件焊接而成。為方便計算，在建模過程中省略了注水口、溢水口、供水孔、通氣孔及檢查蓋等零部件以及焊接時應力集中的情況。

水箱材料主要為06Cr19Ni10不銹鋼，它在空氣中或化學腐蝕介質中能夠形成一種氧化膜以抵抗腐蝕的高合金鋼，其材料屬性如表1所示，水箱安裝位置如圖2所示。

1.2 計算模型

以鐵路普通客車水箱模型為研究對象，通過SCDM軟件建立薄壁箱體結構的力學模型。在CFX模塊中設置流體域，在Transient structure模塊中設置水箱結構。因為水箱為薄板結構，所以在SCDM建模過程中通過抽取中面將水箱建成板殼單元模型。通過Meshing功能分別對結構域和流體域進行網格劃分，由于耦合參數通過插值傳遞，同時SCDM建模是一體的，在劃分網格時保證了耦合邊界上網格和各種參數的傳遞性，水箱結構有限元模型單元數為136 404，節(jié)點數279 539，有限元模型如圖3所示。流體域有限元模型單元數為260 791，節(jié)點數420 743，有限元模型如圖4所示。

1.3 控制方程組

水箱內部為氣液兩相流非穩(wěn)態(tài)流動。本文采用VOF（Volume of Fluid）模型處理氣液兩相流且無傳熱現象對沖擊晃動現象進行仿真，并采用k-ε模型模擬沖擊現象。

VOF模型是建立在固定的歐拉網格下的表面跟蹤辦法，在兩種或者多種流體（相）不相互混合的前提下，通過相體積分數實現對每個計算單元相界面的追蹤。在流體域的每個控制容積體內，所有相體積分數總和為1，定義水為主相流，體積分數為α，則空氣體積分數為1-α。

VOF模型滿足的控制方程如下：

1.4 雙向流固耦合

雙向流固耦合分析的一般流程如圖5所示。該方法的基本思路為：形成兩套網格和邊界，其中包含特殊定義的耦合邊界和狀態(tài)、參數，耦合軟件將通過定義的耦合邊界來傳遞耦合參數，并指揮流體、固體求解器計算，流體域和結構域分別由CFX模塊和Transient structure模塊進行瞬態(tài)計算。先在CFX模塊中將流場壓力作為直接解出量計算出流場壓力分布，然后將其中的壓力參數作為輸出載荷加載到固體結構中，同時在Transient structure模塊中將位移（變形）作為直接解出量計算出固體結構的位移（變形），將其中的位移參數作為輸出載荷加載到流場中。由于雙向流固耦合在每一步中都會進行數據交換，最后在求解設置中對最大、最小迭代步數進行設置，并將輸出結果設置為瞬態(tài)結果，經過多步的數據交換以及數據迭代，最終達到一個平衡狀態(tài)，各種參數最終收斂，得到能夠反映結構域在流場邊界條件下的各種瞬態(tài)結果，經過數據處理后繪制出結構應力、位移變化的時間歷程圖。

1.5 邊界條件

雙向流固耦合仿真分析分為流體域和結構域兩部分，不能直接導入流體計算結果，而是預先設置一個流固耦合面，在計算過程中傳遞流固分析數據。本文選擇固體結構的所有內壁面為流固耦合面，將流體的整個外表面設置為流固耦合面（FSI）。流體域邊界條件為：對縱向方向施加用函數表達式編輯的峰值50 m/s2正弦半波沖擊函數（見圖6）和垂向重力加速度，設置盛水量（50%）、浮力參數、連續(xù)性表面及初始條件。不考慮傳熱影響，設置水箱內壁為不可滑移邊界。固體域邊界條件為：對水箱安裝座施加固定約束。

2 結果分析

2.1 瞬態(tài)分析

首先通過雙向流固耦合方法對水箱結構進行瞬態(tài)分析。模擬條件可任意選擇，取盛水量為50%，沖擊加速度為50 m/s2，增量步長0.02 s。不同時刻的水箱內氣液兩相分布情況如圖7所示。

在水箱50%盛水量時對其施加縱向沖擊載荷，其應力區(qū)域主要出現在水箱上箱蓋處，最大值發(fā)生在0.76 s處，為26.58 MPa，小于水箱的屈服強度，此時位移變形為0.459 mm，等效應力云圖和位移云圖如圖8、圖9所示。其最大應力時間歷程如圖10所示。

2.2 無防波板比較

為了研究防波板在水箱中的重要作用，針對無防波板情況下的水箱進行了雙向流固耦合分析。

如前所述，仍然在水箱50%盛水量時對其施加縱向沖擊載荷，不同時刻下水箱內氣液兩相分布情況如圖11所示。

其高應力區(qū)域出現在水箱上箱蓋處，最大值發(fā)生在0.92 s處，為72.96 MPa，見圖12。此時位移變形為12.280 mm，見圖13。雖然無防波板時最大應力也小于水箱的屈服強度，但可以明顯看出失去防波板的緩沖作用，水箱的沖擊應力迅速上升，位移變形增大了30倍，由此可見防波板在緩和流體沖擊時所起的重要作用。其最大應力時間歷程見圖15。

3 結論

本文以鐵路普通客車水箱為研究對象，針對列車在加減速時水箱內液體沖擊晃動問題，對整個過程進行了雙向流固耦合數值模擬。得到了水箱盛水量為50%時，箱內氣液兩相流的應力時間歷程圖以及箱體位移時間歷程圖，并與無防波板情況下的水箱仿真分析結果進行了對比，得到結論如下：

（1）提出了一種針對鐵路普通客車水箱的結構強度的分析方法和流程，并得到了水箱在沖擊載荷作用下應力隨時間的分布情況及應力時間歷程圖和位移時間歷程圖。

（2）通過與無防波板時水箱進行比較，發(fā)現失去防波板的緩沖作用后，水箱的沖擊應力迅速上升，位移變形增大了30倍，可見防波板在緩和流體沖擊時所起的重要作用。

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