基于有限元的液罐車罐體結(jié)構(gòu)分析*

房 亮

(海沃機(jī)械(中國(guó))有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225006)

0 引言

在交通運(yùn)輸業(yè)中，罐車運(yùn)輸扮演著十分重要的角色。在液罐車運(yùn)輸過(guò)程中，隨著罐車加速或者減速，罐車?yán)锩娴囊后w會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)的現(xiàn)象，這種液體的波動(dòng)會(huì)對(duì)罐體和車身造成損害，降低罐車的安全穩(wěn)定性[1]。因此，對(duì)液罐車液體晃動(dòng)進(jìn)行分析具有非常重要的意義[2]。

在關(guān)于罐車晃動(dòng)的研究方面，相關(guān)人員已進(jìn)行了一些研究，如王瓊瑤等[3]采用一種流體-彈性膜耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究了二維水平圓柱形罐體在橫向加速度激勵(lì)下液體晃動(dòng)的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象；張?jiān)婄鞯萚4]通過(guò)SPH方法建立了非慣性系下大幅晃動(dòng)液體的運(yùn)動(dòng)方程，并利用達(dá)朗貝爾原理計(jì)算得到向質(zhì)心簡(jiǎn)化的晃動(dòng)力和晃動(dòng)力偶矩,以此建立了充液?jiǎn)蝿傮w的動(dòng)力學(xué)方程，最后考慮剛體之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束關(guān)系，建立了剛-液耦合多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。

本文對(duì)某消毒液罐車進(jìn)行研究，對(duì)液罐車在不同液面高度以及不同加速度下進(jìn)行流固耦合分析，并基于流體仿真結(jié)果，將流體對(duì)罐體內(nèi)壁的壓力導(dǎo)入靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，計(jì)算出應(yīng)力大小，從而得到液體晃動(dòng)對(duì)罐體結(jié)構(gòu)的影響。

1 有限元模型的建立

本文以某消毒液罐車作為研究對(duì)象，運(yùn)用SoildWorks建立其三維模型，再將其導(dǎo)入到Workbench軟件中進(jìn)行分析計(jì)算，并且對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化及幾何清理，刪除模型中對(duì)分析結(jié)果影響很小的孔，簡(jiǎn)化后的罐車模型如圖1所示。罐體及防浪板均采用鋁合金5083，材料的性能參數(shù)如表1所示。根據(jù)罐體模型建立罐內(nèi)流體模型，如圖2所示。根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)生成流體計(jì)算域，流體主要包括空氣和液體(仿真中設(shè)置為液態(tài)水)。

圖1 簡(jiǎn)化后的罐車模型

采用實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小為20 mm，薄壁(罐體)網(wǎng)格為殼單元，網(wǎng)格劃分后共得到97 098個(gè)節(jié)點(diǎn)、511 192個(gè)單元，網(wǎng)格質(zhì)量為0.94。

表1 鋁合金5083材料的性能參數(shù)

2 求解方法設(shè)置

為研究罐車在剎車或減速狀態(tài)下罐內(nèi)液體對(duì)罐車的作用，計(jì)算罐車整體應(yīng)力，對(duì)罐車進(jìn)行流固耦合仿真分析。由于車體為金屬結(jié)構(gòu)，其變形對(duì)流體形態(tài)影響較小，故采用單向流固耦合分析[5]。將流體網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent，采用多相流分析模型對(duì)罐體內(nèi)液體進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，設(shè)置罐體中水的高度，罐體中的液體受到瞬時(shí)加速度和重力加速度作用，加速度方向及多相流模型如圖3所示。制動(dòng)前車速為40 km/h，當(dāng)罐車開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)t=0。

3 仿真分析

根據(jù)消毒液罐車實(shí)際行駛情況，本文在罐內(nèi)液面高度為0.9 m、主加速度為0.7g時(shí)對(duì)其進(jìn)行仿真研究。之后根據(jù)流體仿真結(jié)果，將流體對(duì)罐體內(nèi)壁的壓力導(dǎo)入靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行車體靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

圖2 罐內(nèi)流體模型圖3 水-空氣多相流分析模型

3.1 流體仿真分析

罐體內(nèi)流體狀態(tài)如圖4所示，罐內(nèi)液體上方晃動(dòng)較為明顯。罐體內(nèi)壁所受壓力如圖5所示，罐體內(nèi)壁所受壓力最大部位位于受沖擊一側(cè)的最底部，最大壓力為13.03 kPa，沿著該部位到水面壓力值逐漸減少。

圖4 罐體內(nèi)流體狀態(tài) 圖5 罐體內(nèi)壁所受壓力云圖 圖6 罐體受沖擊一側(cè)擋板應(yīng)力云圖

3.2 罐車車體靜態(tài)分析

罐體受沖擊一側(cè)擋板應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可以看出：由于液體沖擊，罐體受沖擊一側(cè)擋板會(huì)明顯受力，最大應(yīng)力區(qū)域在擋板下方加強(qiáng)筋處，最大應(yīng)力為172.35 MPa，擋板主要應(yīng)力區(qū)位于上下兩處加強(qiáng)筋及中間區(qū)域，擋板上方受到的應(yīng)力相對(duì)小很多。同時(shí)，防浪板的存在可以大幅減少罐體內(nèi)部液體沖擊和波動(dòng)，防浪板的應(yīng)力云圖如圖7所示，防浪板最大應(yīng)力部位位于靠近底部?jī)蓚?cè)，最大應(yīng)力為6.76 MPa。

因此，在本工況下，罐體內(nèi)壁和防浪板所受到的應(yīng)力均很小，結(jié)合材料性能可知，罐體內(nèi)壁和防浪板在實(shí)際工況下具有較高的可靠性。通過(guò)計(jì)算結(jié)果，得出最大應(yīng)力部位在受沖擊一側(cè)擋板上，且最大應(yīng)力達(dá)到172.35 MPa，結(jié)合實(shí)際更加復(fù)雜工況，可知擋板存在一定安全隱患。因此，下文通過(guò)多種工況分析不同因素對(duì)該擋板的影響。

4 多工況分析

4.1 不同罐內(nèi)液面高度分析結(jié)果

在主加速度為0.7g時(shí)，對(duì)罐內(nèi)液面高度分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m的情況進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果顯示，罐內(nèi)液面高度為0.3 m時(shí)液體晃動(dòng)最明顯，同時(shí)，罐內(nèi)內(nèi)壁所受最大壓力的部位為受液體沖擊一側(cè)底部，隨著液面高度的提高，最大壓力不斷提高，在液面高度為1.2 m時(shí)，最大壓力為14.4 kPa。對(duì)于防浪板，最大應(yīng)力部位位于防浪板底部的兩側(cè)，在液面高度為0.9 m時(shí)，最大應(yīng)力為6.76 MPa，但當(dāng)液面高度為1.2 m時(shí)，可認(rèn)定為滿載狀態(tài)，防浪板最大應(yīng)力為0.9 MPa。對(duì)于整體應(yīng)力最大的受沖擊一側(cè)擋板，最大應(yīng)力部位均位于擋板的下方加強(qiáng)筋上，所受最大應(yīng)力如圖8所示。由圖8可知，在罐內(nèi)液面高度由0.3 m增大到0.9 m時(shí)，擋板所受最大應(yīng)力快速提高，由液面高度為0.3 m時(shí)的53.85 MPa提升到液面高度為0.9 m時(shí)的172.35 MPa，在液面高度為1.2 m時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到202.17 MPa。

4.2 不同主加速度分析結(jié)果

當(dāng)液面高度為0.9 m，對(duì)罐車主加速度分別為0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g時(shí)的情況進(jìn)行計(jì)算分析。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在主加速度為0.3g時(shí)，液體晃動(dòng)最為明顯。對(duì)于罐體內(nèi)壁壓力，壓力最大區(qū)域位于受沖擊一側(cè)底部，主加速度越大，最大壓力隨之緩慢提高，在主加速度為0.7g時(shí)，最大壓力為13.03 kPa。對(duì)于防浪板，最大應(yīng)力區(qū)域位于接近底部?jī)蓚?cè)，隨著主加速度增加，最大應(yīng)力也逐步增大，主加速度為0.7g時(shí)，最大應(yīng)力為6.76 MPa。對(duì)于受沖擊一側(cè)擋板，最大應(yīng)力區(qū)域位于下方加強(qiáng)筋上，不同主加速度下最大應(yīng)力如圖9所示。由圖9可以看出，隨著主加速度增加，擋板最大應(yīng)力增加較大，在主加速度為0.3g時(shí)，最大應(yīng)力為119.8 MPa，在主加速度為0.7g時(shí)，最大應(yīng)力為172.35 MPa。

圖7 罐體防浪板應(yīng)力云圖 圖8 受沖擊一側(cè)擋板在不同液面高度時(shí)的最大應(yīng)力 圖9 受沖擊一側(cè)擋板在不同主加速度下的最大應(yīng)力

5 結(jié)論

針對(duì)液罐車在工作中罐體內(nèi)液體晃動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)液罐車實(shí)際行駛情況，對(duì)消毒液罐車進(jìn)行流固耦合分析，再根據(jù)流體仿真結(jié)果，將流體對(duì)罐體內(nèi)壁的壓力導(dǎo)入靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，進(jìn)行車體靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，得出液罐車結(jié)構(gòu)性能。由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力位于受沖擊一側(cè)擋板上。

同時(shí)以不同罐內(nèi)液面高度以及不同主加速度兩個(gè)因素進(jìn)行變量分析。通過(guò)仿真結(jié)果可知，最大應(yīng)力均位于受沖擊一側(cè)擋板上。在主加速度為0.7g時(shí)，隨著液面高度增加，最大應(yīng)力迅速增大，液面高度為1.2 m時(shí)最大應(yīng)力達(dá)到202.17 MPa。在液面高度為0.9 m時(shí)，隨著主加速度增大，最大應(yīng)力也隨之增加，在主加速度為0.7g時(shí)，最大應(yīng)力為172.35 MPa。在不同液面高度和加速度下，罐體內(nèi)壁最大壓力為14.4 kPa，防浪板最大應(yīng)力為6.76 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，因此該液罐車強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。