基于有限元法的液罐車橫向穩(wěn)定性分析

張明遠，于洋，呂志文，王建剛

（1.安徽理工大學，淮南 232001； 2.廣東立佳實業(yè)有限公司，東莞 523000）

前言

伴隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國內(nèi)民眾在生活方面的要求不斷提高，同時對于生活必需品的需求也在持續(xù)增加，這促使了我國道路運輸行業(yè)持續(xù)高效的發(fā)展。液罐車作為道路運輸?shù)闹匾M成部分之一，其需求與發(fā)展引起了我國政府和相關(guān)部門的高度重視。由于運輸?shù)呢浳锒酁橐兹几呶Ｎ?，液罐車的安全性也備受關(guān)注。

液罐車有承載重、質(zhì)心高、體積大等顯著特點，在緊急避讓或高速轉(zhuǎn)彎等極端操作工況下，液罐內(nèi)的液體晃動與車體運動產(chǎn)生復雜的耦合效應(yīng)，極有可能導致車輛發(fā)生側(cè)滑、傾覆等交通事故[1]，因此，對液罐車行駛安全性的研究顯得尤為重要。在眾多安全性影響因素中，罐內(nèi)液體晃動對液罐車行駛安全性的影響是一個熱門研究點。近年來，國內(nèi)外學者對液罐車罐內(nèi)液體晃動問題進行了大量的研究，研究重點大部分放在液罐車罐體尺寸、形狀[2-4]以及液罐車行駛過程中的動力學響應(yīng)[5]等方面，對充液比和加速度的研究較少。本文對不同充液比及橫向加速度情況下的液罐車轉(zhuǎn)向工況進行了仿真計算，將計算結(jié)果繪制成圖表進行對比分析，以此來說明充液比和橫向加速度對液罐車橫向穩(wěn)定性的影響。

1 罐體模型及使用材料

1.1 罐體模型

液罐車罐體模型如圖1。罐體主要由封頭、罐身、隔板、車架、護欄等組成。罐體全長8.45 m，寬2.44 m，高1.56 m。

1.2 罐體使用材料參數(shù)

本文所研究的半掛式液罐車主要使用材料為鋁合金，其中罐身所采用的材料為鋁合金5083，車架及其他組成部分所采用的材料為鋁合金6061，相關(guān)材料基本參數(shù)如表1所示。

2 計算模型及計算方法

2.1 罐體模型網(wǎng)格劃分

本文主要研究液罐車轉(zhuǎn)向時罐內(nèi)液體晃動對罐壁的橫向沖擊效果，縱向參數(shù)影響較小，故選取一半罐體進行建模及網(wǎng)格劃分（如圖2所示），同時忽略了縱向隔板的厚度，這樣既避免了隔板處網(wǎng)格過密，增加了網(wǎng)格質(zhì)量，又減少了網(wǎng)格數(shù)，提高了計算效率[6]。

2.2 計算模型

本文采用VOF模型來處理罐內(nèi)空氣與柴油的氣液兩相流動，其中控制方程包括連續(xù)方程（1）和動量方程（2）：

式中：

ρ—密度；

p—壓強；

μ—動力黏度；

υ—速度矢量；

u—速度矢量在x軸的分量。

2.3 初始條件及邊界條件設(shè)置

初始氣液交界面平行于xz平面，罐壁表面設(shè)置為無滑移壁面，氣體和液體初速度為0，表面張力系數(shù)為0.04，大氣壓為1.013×105Pa 。

2.4 求解方法設(shè)置及計算參數(shù)

本文采用PISO壓力速度耦合方法，梯度離散方法選擇Green-Gauss Node-Based，壓力插值方法選擇Body Force Weighted。

罐內(nèi)介質(zhì)為空氣和柴油，第一相為空氣，第二相為柴油，其中空氣為默認參數(shù)，柴油的密度為，動力粘性系數(shù)為，計算時間步長為0.01 s，計算步數(shù)為1 000步。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 相同橫向加速度下充液比影響

假設(shè)油罐車分別以0.5 g、0.6 g、0.7 g的橫向加速度轉(zhuǎn)彎，同一種加速度工況對0.5～0.8充液比下罐內(nèi)油液晃動對罐壁產(chǎn)生的橫向沖擊力進行仿真計算，并繪制曲線圖對比，見圖3～5。

表1 材料參數(shù)

圖2 網(wǎng)格劃分模型

由圖3、圖4、圖5可見，轉(zhuǎn)向開始后罐內(nèi)油液晃動對罐壁的橫向沖擊力持續(xù)增加，并在約0.6 s時達到第一個峰值，此峰值為轉(zhuǎn)向過程中最大沖擊力的值，隨后沖擊力出現(xiàn)一個逐漸下降的過程，之后又逐漸上升至第二個峰值，如此往復。這是由于油罐車轉(zhuǎn)向使得罐內(nèi)油液受向心力作用而發(fā)生晃動，當油液晃動的最劇烈時，罐壁所受的橫向沖擊力便達到峰值，隨后油液受到罐壁的阻擋而開始向另一側(cè)運動，罐壁所受的橫向沖擊力逐漸減小。

對每組計算結(jié)果中不同充液比工況的對比可以發(fā)現(xiàn)，充液比為0.5和0.6時，罐內(nèi)油液晃動對罐壁的橫向沖擊力相對較大，且起伏較大；充液比為0.7時，罐內(nèi)油液晃動對罐壁的橫向沖擊力相對較小，且起伏較為平緩；充液比為0.8時，罐內(nèi)油液晃動對罐壁的橫向沖擊力又會達到一個較大的數(shù)值，且在達到第一個峰值之后還會維持在一個較高的水平。

3.2 相同充液比下橫向加速度影響

由上述幾組數(shù)據(jù)對比可知，0.5充液比時罐內(nèi)油液對罐壁的橫向沖擊力的數(shù)值和起伏較大，0.7充液比時罐內(nèi)油液對罐壁的橫向沖擊力的數(shù)值和起伏較小，故選取0.5充液比與0.7充液比的工況，分別進行橫向加速度為0.1～0.4 g時罐內(nèi)油液對罐壁的橫向沖擊力的仿真計算，并繪制曲線圖對比。

由圖6、圖7可見，隨著液罐車轉(zhuǎn)彎時橫向加速度的增加，各充液比工況下罐內(nèi)油液晃動對罐壁的橫向沖擊力也隨之增加，這是由于加速度越大，罐內(nèi)油液所受的慣性力越大，晃動也更加劇烈，受力也隨之增加。

圖3 0.5 g加速度各充液比工況

4 結(jié)論

液罐車轉(zhuǎn)向時，罐內(nèi)油液晃動帶來的沖擊力隨時間推移逐漸增加，到達第一個峰值后開始減小，隨后又開始增加直第二個峰值。第一個峰值一般是沖擊力最大的點，也是液罐車最容易發(fā)生側(cè)翻的點。

圖4 0.6 g加速度各充液比工況

圖5 0.7 g加速度各充液比工況

圖6 0.5充液比各加速度工況

圖7 0.7充液比各加速度工況

充液比為0.5～0.7階段時，隨著充液比的增加，罐內(nèi)油液晃動帶來的沖擊力峰值呈下降趨勢，且沖擊力曲線的起伏也由大變小。充液比達到0.8后，由于罐內(nèi)油液質(zhì)量大，重心高等因素，油液晃動帶來的沖擊力又達到一個比較高的峰值，且隨后一直維持在較高的水平。

液罐車轉(zhuǎn)彎時的加速度大小對罐內(nèi)油液晃動帶來的沖擊力影響也十分明顯，罐內(nèi)油液受慣性力的作用，轉(zhuǎn)彎加速度的增加使得油液晃動帶來的沖擊力隨之增大。因此，液罐車實際使用時應(yīng)裝填合適的油液量，且在轉(zhuǎn)彎時要保持盡可能小的轉(zhuǎn)彎加速度。