運(yùn)輸車罐體內(nèi)不同液體介質(zhì)沖擊晃動的耦合分析

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸車；罐體；防波板；不同液體介質(zhì)

0引言

在“十四五”時期，我國對液體能源的需求愈發(fā)旺盛，這種需求的擴(kuò)大推動了運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，加之政策的鼓勵與支持，我國油罐車的年產(chǎn)量和保有量逐年攀升。罐車在執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)時，裝載的流體介質(zhì)通常在幾噸到幾十噸之間。當(dāng)罐車進(jìn)行急加速、急減速或轉(zhuǎn)彎等操作時，罐內(nèi)流體的晃動會導(dǎo)致油液重心位置不斷變化，從而影響罐車的行駛穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性。

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在?；肥鹿手校；愤\(yùn)輸事故占總事故的45%以上。而在運(yùn)輸事故中，?；饭愤\(yùn)輸事故占事故總數(shù)的50%，其中人為因素導(dǎo)致的事故占48.5%，車輛本身缺陷導(dǎo)致的事故占28.5%，運(yùn)輸中物品包裝和裝卸問題導(dǎo)致的事故占19.7%，公路運(yùn)輸路況與環(huán)境因素導(dǎo)致的事故占3.4%。對造成上述事故的原因進(jìn)行分析可知，非滿載貯箱內(nèi)的液體晃動是造成這些事故的主要原因之一。對于罐車設(shè)計(jì)而言，由于其體積較大、造價(jià)昂貴且試驗(yàn)條件苛刻，通過傳統(tǒng)手段很難驗(yàn)證所設(shè)計(jì)罐體結(jié)構(gòu)的合理性。而通過運(yùn)用有限元方法，可以顯著縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，并清晰地觀測到液體的運(yùn)動狀態(tài)，這為液罐車的發(fā)展提供了極大的助力。罐體作為罐車的主要部件之一，是移動的液體容器，直接承受著不同工況下液體對其造成的沖擊載荷。因此，研究運(yùn)輸車罐體內(nèi)不同液體介質(zhì)沖擊晃動的耦合分析具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1模型建立與參數(shù)設(shè)置

1.1仿真模型基本參數(shù)

運(yùn)輸車罐體由前封頭、筒體、8個防波板及后封頭4個部分組成。其中，8個厚度為5mm的防波板均勻安裝在罐體內(nèi)部，將罐體分隔成容積相等的9個艙室，且各個艙室區(qū)域之間相通。罐體的總長度約為12m，橫截面直徑約為2.2m，罐體壁厚為6mm。坐標(biāo)系固定于罐體上，坐標(biāo)原點(diǎn)位于運(yùn)輸車罐體的中心位置。X軸正方向平行于地面且向右，Y軸正方向平行于地面且指向罐體的前進(jìn)方向，Z軸正方向垂直地面且豎直向上。罐體的主要材料成分是碳素鋼Q235，其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為2.35×102MPa及3.75×102MPa，泊松比為0.3，密度與彈性模量分別為7850kg/m3和2.06×105MPa[1]。

1.2模型邊界條件設(shè)置

將SOLIDWORKS建立的三維模型導(dǎo)入Workbench2023R1中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置與仿真分析。為了提高仿真計(jì)算效率，罐體上網(wǎng)格過渡部分保證平滑。罐體及所有防波板表面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件。裝載介質(zhì)分別為：（1）水，其密度為1000kg/m3，粘度為1.0mPa·s；（2）柴油，其密度為850kg/m3，粘度為2.59mPa·s；（3）汽油，其密度為746kg/m3，粘度為0.567mPa·s。氣體壓強(qiáng)為1.013×105Pa，初始時液體與氣體區(qū)域相當(dāng)于運(yùn)輸罐車速度為0，且初始液氣界面平行于YZ平面。圖1展示了罐體有限元網(wǎng)格模型及求解過程。根據(jù)《IMDGCode國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》[2]，貨物對防波板的軸向沖擊力為2倍的重力加速度，因此運(yùn)輸罐車在垂直方向的沖擊加速度設(shè)置為19.6m/s2；轉(zhuǎn)向離心加速度為0.1倍的重力加速度，即0.98m/s2。

按照GB/T19905—2017《液化氣體汽車罐車》對液罐車制動穩(wěn)定性的要求[3]，當(dāng)初始速度為30km/h時制動距離應(yīng)小于10m，由此計(jì)算出的制動加速度約為3.47m/s2。但在緊急制動情況下，罐車的加速度將更大，甚至可能達(dá)到重力加速度。因此，在模擬計(jì)算時，將運(yùn)輸罐車的制動加速度設(shè)定為0.8倍的重力加速度（0.8g）。根據(jù)罐體容積-液位方程可知[4]，當(dāng)罐體內(nèi)部的液位高度為2m時，罐車的充裝率為0.93。為避免罐車充裝率為0.5時沖擊晃動影響最大的情況，本文設(shè)置罐體內(nèi)液面高度為1.70m，并以總時間2s對運(yùn)輸車在不同制動加速度下的液體晃動沖擊狀況進(jìn)行分析。

2運(yùn)輸罐車液體晃動流固耦合結(jié)果分析

2.1罐體內(nèi)液-氣兩相分布圖

圖2展示了罐內(nèi)液體介質(zhì)為水時不同時刻的氣-液兩相分布圖。由圖2（a）可知，在時間為0.025s時，罐內(nèi)液體基本處于水平位置，呈現(xiàn)出顯著的“空氣-水”耦合界面。這是因?yàn)樵跇O短的時間內(nèi)，液體與運(yùn)輸車罐體具有相同速度，二者相對靜止。由圖2（b）可知，在時間為0.1s時，罐內(nèi)水開始沿著防波板的曲面向上運(yùn)動。這是因?yàn)檫\(yùn)輸車罐體受到制動加速度作用后，水由于慣性作用與罐體產(chǎn)生相對速度差，從而形成相對動壓。根據(jù)圖2（c-f）可知，在0.1～0.4s的時間范圍內(nèi)，罐內(nèi)水沿著防波板曲面向上運(yùn)動的高度不斷增大，罐體內(nèi)各個艙室的右側(cè)液面持續(xù)升高，并首次沖擊前封頭曲面。由圖2（g）可知，在時間為0.5s時，罐內(nèi)水沿著防波板曲面向上運(yùn)動的高度稍微降低，表明水受到罐體內(nèi)壁的反作用力以及重力的共同影響，開始向后封頭方向移動。根據(jù)圖2（h-j）可知，在0.6～0.8s的時間范圍內(nèi)，罐體內(nèi)各個艙室的右側(cè)液面不斷降低，而左側(cè)液面上升，表明水開始第一次回流，并持續(xù)沖擊后封頭曲面。由圖2（k-l）可知，在時間為0.9s以后，罐內(nèi)水再次開始沿著防波板曲面向上運(yùn)動，此時液體處于自由晃動階段，并重復(fù)以上周期性過程。在罐內(nèi)水的自身重力、罐壁反作用力與表面張力的共同作用下，液體的自由晃動呈現(xiàn)出衰減趨勢，并最終處于水平位置。

2.2罐體及防波板的壓力分析

圖3展示了運(yùn)輸車在不同液體介質(zhì)（水、柴油、汽油）下罐體表面的壓力云圖，圖4則展示了相應(yīng)條件下防波板1的壓力云圖。由圖3與圖4可知，在時間為0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質(zhì)對罐體表面形成的壓力最大值分別為3.487e+04Pa、3.330e+04Pa與3.424e+04Pa；而在0.5s時，3種液體介質(zhì)對罐體表面形成的壓力最大值均減小，分別為3.448e+04Pa、3.289e+04Pa與3.373e+04Pa。這主要是因?yàn)椋跁r間為0.5s時，液體對前封頭的第1次沖擊已經(jīng)結(jié)束，并在重力和壁面反作用力的共同影響下，液體開始朝反方向回流，因此對罐體表面形成的壓力值略有降低。此外，在0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質(zhì)對防波板1表面形成的最大壓力值分別為2.598e+04Pa、2.411e+04Pa與2.491e+04Pa；而在0.5s時，3種液體介質(zhì)對防波板1表面形成的壓力最大值均減小，分別為2.557e+04Pa、2.389e+04Pa與2.444e+04Pa。

因此，在運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度、防波板數(shù)量與結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向離心加速度及制動加速度等因素恒定不變的情況下，裝載不同危化品液體介質(zhì)時，液體沖擊晃動對罐體與防波板1表面形成的壓力值不同。并且，在模擬范圍內(nèi)，水晃動對罐體與防波板1表面產(chǎn)生的壓力數(shù)值最大，而柴油晃動對罐體與防波板1表面產(chǎn)生的壓力數(shù)值最小。此外，還可以觀察到，3種不同液體介質(zhì)對防波板1表面產(chǎn)生的最大壓力值均出現(xiàn)在防波板1底部的半圓孔邊緣。

圖5展示了時間為0.4s時水沖擊不同防波板的壓力云圖。如圖5（a-d）所示，距離前封頭最近的防波板1受到水沖擊晃動形成的表面壓力最大，為2.594e+04Pa；而遠(yuǎn)離前封頭的防波板2、防波板3及防波板4，受到水沖擊晃動形成的表面壓力數(shù)值分別為1.801e+04Pa、1.018e+04Pa與2.207e+03Pa。因此，可以得出結(jié)論：越靠近罐體前封頭的防波板，受到水沖擊晃動形成的表面壓力越大。如圖5（e-h）所示，防波板5受到水沖擊晃動形成的表面壓力變?yōu)樨?fù)值，具體大小為-5.702e+03Pa；而靠近后封頭的防波板6、防波板7及防波板8，受到水沖擊晃動形成的表面負(fù)壓數(shù)值分別為-1.362e+04Pa、-2.149e+04Pa與-2.942e+04Pa。因此，另一個結(jié)論是：越靠近罐體后封頭的防波板，受到水沖擊晃動形成的表面負(fù)壓越大。

根據(jù)伯努利原理，流體總壓等于靜壓與動壓之和。當(dāng)液體發(fā)生晃動時，其流動速度會發(fā)生變化，即動壓會隨之改變。在運(yùn)輸車制動過程中，液體在慣性作用下移動，導(dǎo)致動壓增大。為了保持總壓不變，靜壓必須相應(yīng)減小。當(dāng)靜壓減小到負(fù)值時，就形成了負(fù)壓區(qū)域。綜上所述，罐體內(nèi)封閉容器中的液體在受到運(yùn)輸車制動激勵后，其動能會部分轉(zhuǎn)換為壓力能，即形成負(fù)壓。

2.3罐體及防波板的應(yīng)力強(qiáng)度

圖6展示了運(yùn)輸車裝載不同液體介質(zhì)（水、柴油、汽油）時罐體的應(yīng)力強(qiáng)度云圖，而圖7則展示了相同條件下防波板1的應(yīng)力強(qiáng)度云圖。由圖6與圖7可知，在時間為0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質(zhì)對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度最大值分別為139.18MPa、118.5MPa與113.89MPa；而當(dāng)時間為0.5s時，這3種液體介質(zhì)對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度最大值均有所減小，具體數(shù)值分別為138.26MPa、117.5MPa與113.07MPa。因此，在運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度、防波板數(shù)量與結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向離心加速度及制動加速度等條件恒定不變的情況下，裝載的危化品液體介質(zhì)類型不同，會導(dǎo)致液體沖擊晃動對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度最大值存在差異。并且，在模擬范圍內(nèi)，水晃動對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值最大。此外，還可以看出，3種不同液體介質(zhì)對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在防波板1的圓形開孔邊緣。因此，建議對防浪板圓形開孔處進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，例如設(shè)置交叉布置的加強(qiáng)圈及筋板，以確保罐體及防波板的強(qiáng)度滿足要求。

2.4罐體及防波板的定向變形

圖8展示了運(yùn)輸車裝載不同液體介質(zhì)（水、柴油、汽油）時罐體的定向變形（X軸方向）云圖，而圖9則展示了相同條件下防波板1的定向變形（X軸方向）云圖。由圖8與圖9可知，在時間為0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質(zhì)對罐體的定向變形（X軸方向）最大值分別為0.29082mm、0.35949mm及0.36381mm；而在時間為0.5s時，3種液體介質(zhì)對罐體的定向變形（X軸方向）最大值均有所減小，分別為0.28957mm、0.35862mm及0.36362mm。因此，在運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度、防波板數(shù)量與結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向離心加速度及制動加速度等因素恒定不變的情況下，裝載的?；芬后w介質(zhì)類型不同，會導(dǎo)致液體沖擊晃動對罐體的定向變形（X軸方向）最大值存在差異。并且，汽油晃動對罐體的定向變形（X軸方向）數(shù)值最大，而水晃動對罐體的定向變形（X軸方向）數(shù)值最小。此外，還可以觀察到，3種不同液體介質(zhì)對罐體的定向變形（X軸方向）最大值均出現(xiàn)在防波板1的圓形開孔邊緣。結(jié)合前文信息，我們知道運(yùn)輸車罐體（防波板、筒體及封頭）的材料均為碳素鋼Q235，其屈服強(qiáng)度（235MPa）大于水第1次沖擊晃動對罐體產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度峰值（139.18MPa）。同時，防波板的厚度均為5mm，而汽油沖擊對罐體的定向變形（X軸方向）最大值為0.36381mm，這表明罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

3結(jié)論

罐內(nèi)液體介質(zhì)的改變并不會影響罐內(nèi)液體在不同時刻的氣-液兩相分布圖，這些分布圖均呈現(xiàn)出顯著的“空氣-水”耦合界面。但是裝載的液體介質(zhì)類型不同，液體沖擊晃動對罐體與防波板1表面形成的壓力值也會有所不同，3種不同液體介質(zhì)對防波板1表面產(chǎn)生的壓力最大值均出現(xiàn)在防波板1底部的半圓孔邊緣。此外，改變裝載的液體介質(zhì)，液體沖擊晃動對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度與定向變形的最大值也會有所區(qū)別。具體而言，水晃動對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值最大，而汽油晃動對罐體的定向變形數(shù)值最大。值得注意的是，這3種不同液體介質(zhì)對罐體的應(yīng)力強(qiáng)度與定向變形的最大值均出現(xiàn)在防波板1的圓形開孔邊緣。因此，為了增強(qiáng)罐體及防波板的強(qiáng)度，建議對防浪板圓形開孔處進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，例如設(shè)置交叉布置的加強(qiáng)圈及筋板，以保證罐體防波板的強(qiáng)度。