某發電列車車下燃油箱受縱向沖擊的流固耦合分析

林鵬　仲崇成

摘 要：該文基于雙向流固耦合方法，聯合軟件Star-CCM+和Abaqus，利用數值分析研究了充油量為50%的某發電列車車下燃油箱在受到標準規定的縱向沖擊后，箱內燃油的晃動情況以及箱體結構的瞬時應力分布情況，找出了燃油箱中容易出現結構破壞的位置，并給出了相應改進方案，為保證燃油箱的強度安全提供了可靠的設計參考。

關鍵詞：發電列車 燃油箱 流固耦合 Star-CCM+ Abaqus

中圖分類號：U27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0014-02

在鐵路飛速發展的今天，高速動車組的普及率越來越高，使人們出行更加方便、快速和環保。但受多方面因素的制約，目前仍有很多地域還沒有鋪設電氣化鐵路，這部分客運列車的空調等電器用電仍要靠發電列車供給。其中，燃油箱是發電列車不可或缺的設備，通常以吊掛方式安裝在車下底架。列車運行時，輪軌間將產生強烈的相互作用，使燃油箱劇烈振動，箱內燃油產生的慣性晃動沖擊會嚴重影響箱體結構的安全性和可靠性，因此在設計燃油箱結構強度時充分考慮燃油晃動這一不利因素具有十分重要的意義。

目前，類似運動罐體液體晃動問題的研究已積累了一定成果，并且隨著計算機硬件水平的快速發展，越來越多的研究是基于流固耦合數值模擬完成的，如文獻[1-4]。不過，這些文獻研究的晃動加速度均為常數，且數值較小（通常小于1個重力加速度），作用時間較長。該文所研究的是正弦變化的瞬時大沖擊加速度，并且通過雙向流固耦合的動態數值模擬，以列車受縱向標準試驗沖擊加速度情況為例，研究燃油箱在晃動時間歷程中的最大應力分布，為保證油箱結構的強度安全提供可靠的設計參考。

1 數值模型的建立

流固耦合是仿真業界的熱點和難點，按耦合機理可大體分為兩類：第一類是耦合作用僅僅發生在固液兩相交界面上，如氣動或水動彈性等；第二類則是固體域和流體域部分或全部重疊在一起，難以明顯地分開，如泥土滲流等[5]。該文問題屬于第一類，目前常用解決方案是利用FEM和CFD專業軟件各自進行固體域和流體域內單增量步的計算，然后按指定策略在耦合交界面網格處交換和更新必要數據，再各自進行新一輪單增量步計算，如此循環，直至滿足收斂要求。

1.1 研究對象與材料參數

該發電列車主要在高寒地帶行駛，因此燃油箱總體采用“外箱+保溫材料+內箱”的“三明治”結構，設計容積約3 200 L。內、外箱體通過加強筋框架連接，內箱里還設有若干開孔擋板用來控制燃油晃動。箱體頂部大開孔為注油孔，兩側還分別布有6個開孔。

燃油箱內、外箱體及加強筋框架均由耐候鋼Q355GNHE制成，其彈性模量約為210 GPa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3，屈服強度約為355 MPa。保溫材料為硬質聚氨酯泡沫塑料，其彈性模量比鋼材要小三個量級以上，因此該文將忽略保溫材料結構。燃油選用-20#輕柴油，可保證在-20℃低溫時仍不會結蠟，其密度約為780 kg/m3，動力粘度接近水的3倍，約為2.4×10-3 Pa·s。另外，燃油晃動模擬還需考慮空氣，其密度約為1.18 kg/m3，動力粘度約為1.86×10-5 Pa·s。上述流體工質的材料參數均來自Star-CCM+。

1.2 網格劃分

流體域網格劃分。該文選用了Star-CCM+主推的多面體網格。該類網格相對于傳統網格類型（如四面體）相比具有很多優點[6]。

固體域網格劃分。首先，忽略外箱結構，因為外箱鋼板的厚度為1 mm，而且均為平板，與2.5 mm厚的加強筋框架相比，其對燃油箱整體剛度的貢獻不大。隨后，需要抽取加強筋框架的中面，同時剖分余下的內箱、箱蓋及吊掛支架等至可映射結構。最后，使用4節點四邊形殼單元離散加強筋框架中面，使用8節點六面體實體單元離散箱蓋，同時為保證流固耦合數據映射的正確性，使用8節點實體殼單元離散剩余箱體結構。

1.3 邊界條件施加

計算工況：基于標準TB/T3058-2002《鐵路應用 機車車輛設備沖擊和振動試驗》，該文主要分析在50%充油量的情況下，燃油箱箱體分別受縱向峰值5 g沖擊響應。該加速度在沖擊后的前30 ms內均呈正弦變化，且作用方向為坐標軸正向。模擬每種沖擊情況的計算時間為150 ms。

2 計算結果分析

不同時刻下燃油液面的狀態與結構應力的分布如圖1所示，云圖中的應力單位均為兆帕，結構變形放大倍數均為200。一方面，由于燃油的粘度較大，發生沖擊后的頭30 ms內，液面晃動并不明顯，當沖擊時間至90 ms之后時，液面開始出現大幅晃動。另一方面，固體域計算步長在毫秒量級，質量項帶來的慣性影響不可忽略。此外，擋板受燃油沖擊后將產生慣性振動，并且隨晃動時間的增加不斷衰減。其中位于中間的橫向擋板變形最大，但其變形極值僅為數毫米，相對于數米長的油箱而言，結構邊界變形對流場的影響甚微。在21 ms左右油箱結構的整體應力極值達到最大，應力集中區位于各擋板與內箱底板的連接處附近，應力最大值為180 MPa，但遠小于箱體材料的屈服極限。

3 結語

該文聯合軟件Star-CCM+和Abaqus，利用雙向流固耦合數值仿真，研究了充油量為50%的某發電列車車下燃油箱在受到指定加速度沖擊后，箱內燃油的晃動及箱體結構的瞬時應力分布情況。得出結論，當充油量為50%時，燃油箱受縱向沖擊后的結構應力值遠小于箱體材料的屈服極限，沖擊過程中的應力最大值和應力集中部位均出現在擋板與內箱連接處附近。在燃油箱原方案中，擋板與內箱的連接由于焊縫處存在殘余應力和焊接缺陷，往往是力學性能較為薄弱的部位，所以需要將焊縫避開該應力集中區域，避免由焊縫直接承受來自燃油的晃動沖擊。通過改進，焊縫位置發生轉移，晃動沖擊載荷改由擋板母材來承受，因此大大提高了結構的疲勞壽命和使用安全性。

參考文獻

[1] 劉雪梅.液體晃動的數值模擬及不同慣性力加載方式對罐式集裝箱強度的影響研究[D].北京：北京化工大學，2009.

[2] 向韜，陳國定，于向陽.考慮流固耦合效應的油罐車瞬態應力分析[J].機械科學與技術，2010（8）：1065-1068.

[3] 周國發.孫麗娜.基于流固耦合作用的罐式集裝箱強度分析[J].南昌大學學報：工科版，2012（2）：111-114.

[4] 劉小民，王星，許運賓.運動罐體內液體晃動的雙向流固耦合數值分析[J].西安交通大學學報，2012，46（5）：120-126.

[5] 徐國徽.顧學康.液艙晃蕩載荷數值模擬中的流固耦合影響研究[J].船舶力學，2012，16（5）：514-522.

[6] 邱靜，王國志，李玉輝.基于STAR-CCM+的簡單流體模型CFD研究[J].液壓氣動與密封，2010，30（10）：8-10.