基于流固耦合法的運(yùn)輸罐車不同制動激勵下液體晃動研究

摘要：基于流固耦合法探究了一種運(yùn)輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動過程，分析了不同時刻不同制動激勵下液體的氣-液兩相分布、防波板側(cè)向力Fy、罐體等效應(yīng)力和總形變大小。結(jié)果表明：在液體自身重力與表面張力共同作用下，罐內(nèi)液體運(yùn)動呈現(xiàn)周期性衰減變化，最終回歸初始時刻狀態(tài)。運(yùn)輸車制動加速度的改變，不會影響罐內(nèi)液體不同時刻的氣-液兩相分布圖。在運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度、防波板數(shù)量結(jié)構(gòu)、裝載危化品介質(zhì)及轉(zhuǎn)向離心加速度等因素恒定不變，且對運(yùn)輸車制動距離要求不高時，適當(dāng)減小運(yùn)輸罐車制動加速度，有利于減小液體沖擊晃動對每塊防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值，有利于減小液體沖擊晃動對運(yùn)輸車罐體前封頭與防波板形成的等效應(yīng)力峰值。此外，增大運(yùn)輸罐車制動加速度，液體沖擊晃動對罐體形成的等效應(yīng)力最大值位置均出現(xiàn)在防波板1的流通孔邊緣，總變形出現(xiàn)峰值時間不會隨著制動加速度的改變而變化。

關(guān)鍵詞：流固耦合；運(yùn)輸車罐體；防波板；不同制動加速度

中圖分類號：U4638" 收稿日期：2024-11-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502007

1 前言

罐車運(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，在罐車急加速、緊急制動剎車、急減速轉(zhuǎn)彎、換道避障等工況時，罐內(nèi)流體連續(xù)晃動且不斷改變油液重心位置；加上極限工況下的液體慣性作用，液體晃動對罐體產(chǎn)生振動沖擊，嚴(yán)重影響罐車的行駛穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性[1]。尤其是，當(dāng)液體的晃動頻率接近罐體自身的激勵頻率時，罐體受到的波動沖擊更大，在破壞罐體自身結(jié)構(gòu)的同時，顯著降低了其使用壽命。

目前，研究人員關(guān)于運(yùn)輸車罐體的安全防護(hù)成果較多，且從多維度多角度對運(yùn)輸罐車液體晃動沖擊進(jìn)行了詳細(xì)分析。如平凱等[2]研究了防波板開孔位置與開孔數(shù)量對運(yùn)輸車液體晃動的影響，縮減了罐內(nèi)晃動液體達(dá)到穩(wěn)定時間。栗健等[3]分析了防波板數(shù)量及充裝率對罐體薄弱位置應(yīng)力的影響規(guī)律。鄧康茜等[4]研究了不同充裝率下罐體的各階固有頻率，且發(fā)現(xiàn)增大充液量可以降低罐體的固有頻率。張凡等[5]研究結(jié)果表明，增大罐體充裝率，使得后封頭受到液體晃動的沖擊力變大，影響了罐體碰撞損傷。此外，馬艷龍等[6]深入分析了不同制動速度引起運(yùn)輸車側(cè)翻可能造成的潛在后果；朱健等[7]發(fā)現(xiàn)罐體外加附件可能對防波板局部造成影響，必要時對罐體防波板進(jìn)行局部加強(qiáng)。王國慶等[8]采用流固耦合法分析了不同形狀防波板在剎車過程中氣-液兩相分布圖，比較了曲面和直面防波板的防晃效果。王曉東等[9]基于流固耦合法探究了罐車制動過程中液體晃動的應(yīng)力響應(yīng)，獲得了罐體壁面液體沖擊壓力隨時間變化的影響規(guī)律。

基于以上分析，通過傳統(tǒng)手段難以驗證所設(shè)計罐體結(jié)構(gòu)的合理性，為了降低成本與縮短研發(fā)周期，研究人員均運(yùn)用有限元方法分析罐內(nèi)液體運(yùn)動狀態(tài)。因此，本文結(jié)合某民用?；愤\(yùn)輸車罐體，利用SOLIDWORKS與Workbench等軟件，基于流固耦合法探究了一種運(yùn)輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動過程，在罐體內(nèi)液面高度恒定條件下，分析了不同時刻不同制動激勵下罐內(nèi)液體的氣-液兩相分布、防波板側(cè)向力Fy、罐體等效應(yīng)力和總形變大小，研究結(jié)果對提高?；愤\(yùn)輸罐車緊急制動激勵下的罐體使用壽命具有重要意義。

2 模型建立與參數(shù)設(shè)置

21 罐體仿真模型建立

運(yùn)輸車罐體模型由前封頭、筒體、防波板及后封頭四個部分組成，如圖1所示。罐體整體長度為12 000 mm，罐體橫截面直徑為2 200 mm（大于1 800 mm），罐體壁厚為6 mm[10]。厚度為5 mm的8塊防波板均勻安裝罐體內(nèi)部，防波板之間的通液孔交錯布置，且將罐體分成了容積相等的9個艙室。碳素鋼Q235是罐體的主要材料成分，即表明罐體的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為235 MPa及375 MPa，泊松比為03，其密度與彈性模量分別為7 850 kg/m3和206 GPa。

22 模型邊界條件設(shè)置

將SolidWorks建立的三維模型導(dǎo)入Workbench 2023 R1中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件與仿真分析。如圖2所示，運(yùn)輸車罐體內(nèi)的流體主要包括空氣與液體介質(zhì)。設(shè)置運(yùn)輸車罐體中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，平行于地面且為向右的方向是X軸正方向，平行于地面且為罐體前進(jìn)方向是Y軸正方向，垂直地面且豎直向上的方向是Z軸正方向。設(shè)置罐體內(nèi)液面高度為H=170 m，裝載介質(zhì)為柴油，其密度為850 kg/m3，黏度為259 mPa·s。運(yùn)輸罐車制動加速度為a=490 m/s2（05 g）、a=588 m/s2（06 g）、a=687 m/s2（07 g）及a=785 m/s2（08 g），垂直方向沖擊加速度196 m/s2，轉(zhuǎn)向離心加速度098 m/s2。以總時間2 s對運(yùn)輸車不同制動加速度的液體晃動沖擊狀況進(jìn)行分析。

3 運(yùn)輸罐車不同制動激勵下的液體晃動模擬結(jié)果分析

31 不同時刻不同制動激勵下的液體沖擊晃動氣-液兩相圖

圖3為不同時刻不同制動加速度的氣-液兩相分布圖?？梢钥闯觯?025～04 s內(nèi)，不同制動加速度的罐內(nèi)液體均沿著防波板朝罐體前封頭方向運(yùn)動，第一次持續(xù)沖擊前封頭；在05～08 s內(nèi)，液體均朝罐體后封頭方向回流；而在09 s以后，不同制動加速度的罐內(nèi)液體均再次沿著防波板朝罐體前封頭方向運(yùn)動，進(jìn)行第二次持續(xù)沖擊，且液體第二次沖擊向上運(yùn)動高度要低于第一次運(yùn)動高度。因此，仿真范圍內(nèi)，不同制動加速度的罐內(nèi)液體晃動趨勢均為周期性衰減變化，最終罐內(nèi)液體均處于水平位置。分析認(rèn)為，在0025 s以內(nèi)，液體與運(yùn)輸車罐體之間的速度差值足夠小，兩者仍保持相對靜止；而在0025 s以后，液體由于慣性作用，持續(xù)向罐體前封頭方向移動，使得靠近前封頭方向的艙室內(nèi)液面升高。罐體整體結(jié)構(gòu)為剛性固體，液體沖擊后罐體內(nèi)壁形成反作用力，且在重力共同作用下，在05 s以后液體朝相反方向移動，使得靠近后封頭方向的艙室內(nèi)液面升高。持續(xù)反復(fù)且重復(fù)以上這個過程，由于各個艙室內(nèi)液體相通，最終罐內(nèi)液體均處于水平位置。

綜上可知，運(yùn)輸車制動加速度的改變，不會影響罐內(nèi)液體不同時刻的氣-液兩相分布圖。這是因為液體慣性與速度大小無關(guān)（只與液體質(zhì)量有關(guān)），液體由于慣性作用持續(xù)運(yùn)動；運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度不變，液體質(zhì)量不變。因此，當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度從490 m/s2增大到785 m/s2時，罐內(nèi)液體晃動的氣-液兩相分布圖具有相同的變化趨勢；在液體自身重力與表面張力共同作用下，罐內(nèi)液體運(yùn)動高度不斷周期性衰減，最終回歸初始時刻狀態(tài)。

32 不同時刻不同制動激勵下液體沖擊晃動形成的側(cè)向力

圖4～圖11為不同時刻不同制動加速度液體沖擊晃動對防波板1至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力。由圖4可知，當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度恒為一定值時，在0925 s內(nèi)，罐內(nèi)液體沖擊對防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy呈現(xiàn)出先急劇增大，接著減小，最后緩慢上升的變化趨勢。并且在0925 s時，不同制動加速度下液體沖擊對防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第一次沖擊均達(dá)到峰值。但是，隨著運(yùn)輸罐車制動加速度的增大，液體沖擊對防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值逐漸增大；且當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度為490 m/s2、588 m/s2、687 m/s2及785 m/s2時，罐內(nèi)液體沖擊對防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy分別為4 29669 N、5 20275 N、6 05042 N及6 90185 N。因此，在運(yùn)輸車制動初速度不變的情況下，增大制動加速度，雖然可以使罐車在更短的時間內(nèi)停下來，縮短制動距離，但是運(yùn)輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動對防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy顯著增大。

根據(jù)圖5～圖11可知，防波板2至防波板8受到罐內(nèi)液體沖擊晃動形成的側(cè)向力Fy數(shù)值大小處于“波動”狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度恒為一定值時，在0825 s內(nèi)，罐內(nèi)液體沖擊對防波板2至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力Fy也呈現(xiàn)出先急劇增大，接著減小，最后緩慢上升的變化趨勢。并且在0825 s時，不同制動加速度下液體沖擊對防波板2至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第一次沖擊均達(dá)到峰值。因此，相對于防波板1，運(yùn)輸車罐內(nèi)液體晃動對防波板2至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第一次峰值時間均提前了01 s。

還可以看出，在相同的制動加速度下，罐內(nèi)液體沖擊對防波板2至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值差別較?。磺耶?dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度為490 m/s2時，罐內(nèi)液體沖擊對防波板2至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值分別為3 67590 N、3 67070 N、3 67376 N、3 67006 N、3 67376 N、3 68387 N及3 70373 N。因此，在相同的制動加速度下，相對于防波板1，運(yùn)輸車罐內(nèi)液體晃動對防波板2至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值大小均有所降低。

綜上可知，在制動加速度相同條件下，同一時刻靠近前封頭的防波板1受到罐內(nèi)液體沖擊晃動形成的側(cè)向力Fy數(shù)值最大，對防波板2至防波板8產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值均小于防波板1，且側(cè)向力Fy差值不明顯。因此，在運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度、防波板數(shù)量結(jié)構(gòu)、裝載?；方橘|(zhì)及轉(zhuǎn)向離心加速度等因素恒定不變時，且對運(yùn)輸車制動距離要求不高時，適當(dāng)減小運(yùn)輸罐車制動加速度，有利于減小液體沖擊晃動對每塊防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值。

33 不同時刻不同制動激勵下液體沖擊晃動形成的等效應(yīng)力

圖12為不同時刻不同制動加速度的等效應(yīng)力模擬數(shù)值變化?？梢钥闯?，當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度為490 m/s2時，液體晃動沖擊對罐體產(chǎn)生的等效應(yīng)力大小呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，且波動較??；且在04 s時，罐體受到等效應(yīng)力最大值為77258 MPa。而當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度分別為588 m/s2、687 m/s2及785 m/s2時，運(yùn)輸車上液體對罐體產(chǎn)生的等效應(yīng)力第一次沖擊達(dá)到峰值時間均為04 s，等效應(yīng)力達(dá)到二次沖擊峰值時間均為120 s?？梢?，隨著運(yùn)輸罐車制動加速度的增大，不會改變罐體等效應(yīng)力達(dá)到峰值時間。

結(jié)合圖3的不同時刻不同制動加速度的氣-液兩相分布圖分析可知，在罐內(nèi)液面高度不變時，增大運(yùn)輸罐車制動加速度，不會影響罐內(nèi)液體沿著防波板與前封頭曲面方向移動時間及運(yùn)動高度，故等效應(yīng)力達(dá)到峰值時間不受影響。但是，制動加速度的增大，影響了液體沖擊晃動對罐體產(chǎn)生的等效應(yīng)力峰值大??；且當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度從588 m/s2增大到785 m/s2時，罐體受到等效應(yīng)力峰值由89125 MPa上升到11206 MPa。這個研究結(jié)果與趙志國等[11]研究結(jié)論一致，即運(yùn)輸車罐體受到的應(yīng)力隨著制動加速度的增大呈線性增加。

另外，圖13為t=04 s時運(yùn)輸罐車制動加速度分別為588 m/s2、687 m/s2及785 m/s2罐體的等效應(yīng)力云圖，可以看出，盡管制動加速度不同，但液體沖擊晃動對罐體形成的等效應(yīng)力最大值位置均出現(xiàn)在防波板1的流通孔邊緣。因此，在運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度、防波板數(shù)量結(jié)構(gòu)、裝載危化品介質(zhì)及轉(zhuǎn)向離心加速度等因素恒定不變時，適當(dāng)減小運(yùn)輸罐車制動加速度，有利于減小液體沖擊晃動對運(yùn)輸車罐體前封頭與防波板1形成的等效應(yīng)力峰值。

34 不同時刻不同制動激勵下液體沖擊晃動形成的總變形

根據(jù)圖14與圖15可知，當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度為490 m/s2，液體沖擊對罐體產(chǎn)生的總變形最大值為1330 7 mm。在罐內(nèi)液面高度不變時，增大運(yùn)輸罐車制動加速度，液體晃動沖擊對罐體產(chǎn)生的總變形大小并不是線性變化，而是周期性波動狀態(tài)。在04～20 s范圍內(nèi)，罐體受到總變形呈現(xiàn)出兩次峰值，峰值時間不會隨著制動加速度的改變而變化。在09 s時，當(dāng)運(yùn)輸罐車制動加速度為588 m/s2、687 m/s2及785 m/s2時，液體沖擊對罐體產(chǎn)生的總變形分別為1317 4 mm、1288 8 mm及1275 5 mm。因此，模擬范圍內(nèi)，運(yùn)輸罐車制動加速度的增大，對罐體產(chǎn)生的總變形數(shù)值大小差值影響不太明顯。此外，結(jié)合前文可知，運(yùn)輸車罐體（防波板、筒體及封頭）材料均為碳素鋼Q235，其屈服強(qiáng)度（235 MPa）大于液體沖擊晃動對罐體產(chǎn)生的等效應(yīng)力峰值（11206 MPa）；防波板厚度均為5 mm，而液體沖擊對罐體的總變形最大值為13307 mm，這些結(jié)果表明罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實際使用要求。

結(jié)合上文罐體等效應(yīng)力云圖與總變形云圖，可以發(fā)現(xiàn)防波板與筒體焊接區(qū)域應(yīng)力較大，防波板開孔處變形量較大。因此，為了提高罐體的強(qiáng)度及延長其使用壽命：a.對于罐體易發(fā)生失效的焊接區(qū)域，應(yīng)該采用加強(qiáng)材料或改進(jìn)焊接工藝等措施來提升焊縫的強(qiáng)度和韌性，提高薄弱位置的使用壽命；b.為了保證防波板的強(qiáng)度，在罐體內(nèi)壁上設(shè)置交叉布置的加強(qiáng)圈及筋板，對防浪板開孔處進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)；c.對于罐體的前、后封頭位置，增加一層彈性膜，不僅防止出現(xiàn)較強(qiáng)的水波和飛濺液體，而且減少在剎車激勵作用下對罐內(nèi)液體沖擊晃動的影響；d.對于駕駛員來說，應(yīng)該避免裝載少量液體與超速行駛，在非緊急情況下根據(jù)罐內(nèi)液體裝載量進(jìn)行合理的制動，有效避免罐體損壞；e.為了保障車輛運(yùn)輸安全，應(yīng)使罐內(nèi)液體沖擊晃動頻率遠(yuǎn)離車輛固有振動頻率，減小?；愤\(yùn)輸車發(fā)生共振的概率。

4 結(jié)語

在罐內(nèi)液面高度不變時，運(yùn)輸車制動加速度的改變，不會影響罐內(nèi)液體不同時刻的氣-液兩相分布圖。在液體自身重力與表面張力共同作用下，罐內(nèi)液體運(yùn)動高度周期性不斷衰減，最終回歸初始時刻狀態(tài)。在運(yùn)輸車罐內(nèi)液面高度、防波板數(shù)量結(jié)構(gòu)、裝載?；方橘|(zhì)及轉(zhuǎn)向離心加速度等因素恒定不變，且對運(yùn)輸車制動距離要求不高時，適當(dāng)減小運(yùn)輸罐車制動加速度，有利于減小液體沖擊晃動對每塊防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值，有利于減小液體沖擊晃動對運(yùn)輸車罐體前封頭與防波板形成的等效應(yīng)力峰值。此外，在罐內(nèi)液面高度不變時，增大運(yùn)輸罐車制動加速度，液體沖擊晃動對罐體形成的等效應(yīng)力最大值位置均出現(xiàn)在防波板1的流通孔邊緣，總變形出現(xiàn)峰值時間不會隨著制動加速度的改變而變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瓊瑤，蔣開洪，SubhashRakheja，等部分充液罐車內(nèi)液體晃動的瞬態(tài)響應(yīng)分析[J]振動與沖擊，2018，37（17）：1-8

[2]平凱，王瓊瑤，祁文超，等帶剛性防波板罐體內(nèi)液體晃動的響應(yīng)分析[J]爆炸與沖擊，2024，44（6）：161-173

[3]栗健，譚粵，郭世民，等防波板對液氫罐式集裝箱罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[J]壓力容器，2024，41（5）：58-66+79

[4]鄧康茜，黨鵬飛基于Workbench的油罐車罐體的模態(tài)分析[J]沈陽化工大學(xué)學(xué)報，2023，37（1）：56-59

[5]張凡，沈小燕，閆艷，等非滿載罐車罐體在追尾碰撞中變形失效研究[J]汽車工程學(xué)報，2019，9（1）：52-60

[6]馬艷龍，李新路，胡世鑫，等基于LS-DYNA的危險化學(xué)品運(yùn)輸罐車側(cè)翻事故模擬分析[J]中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2023，19（12）：127-134

[7]朱健罐體外附件對防波板的影響分析[J]機(jī)械制造與自動化，2023，52（3）：156-158

[8]王國慶，戴汝泉，張竹林，等液體運(yùn)輸車罐內(nèi)不同型式防波板防晃效果有限元分析[J]專用汽車，2018（5）：84-87

[9]王曉東，惠虎基于流固耦合法低溫運(yùn)輸罐車制動過程應(yīng)力分析[J]低溫與超導(dǎo)，2016，44（5）：13-16+26

[10]吳饒福，朱春東，石磊，等BS600高強(qiáng)鋼油罐車罐體輕量化研究[J]精密成形工程，2023，15（9）：125-132

[11]趙志國，張磊，徐連高，等基于等效載荷法對液罐車制動工況下罐體強(qiáng)度分析[J]機(jī)械設(shè)計與制造工程，2023，52（6）：39-42

作者簡介：

張曉軍，男，1977年生，工程師，研究方向為專用車產(chǎn)品技術(shù)與市場。