基于流固耦合的半掛液罐車罐體結構分析

王欣　戴汝泉　劉盛強　張竹林　燕榮杰

摘要：為了研究半掛液罐車罐內液體晃動對罐體的影響，本文利用有限元軟件workbench，并采用單向流固耦合方法分析了在不同充裝比下罐壁的受力分布。仿真分析得出：當充液比為50%時液體的晃動較為明顯，但當充液比為90%時罐體所受應力值較大。

關鍵詞：半掛液罐車；液體晃動；流固耦合；應力

1.前言

由于液體物質的慣性和流動性，液體在運輸過程中，加速或上坡會使液體往后飄；減速或下坡會使液體往前飄；車輛在轉彎、側傾、制動以及較差路面上行駛都會使液體發生不同的波動。這種液體波動沖擊不僅會對罐體產生極大的破壞作用，還會給車輛的正常行駛造成干擾，降低車輛的安全性。因此，對液罐運輸車液體晃動進行分析非常重要。

國內和國外關于罐內液體晃動的現象都做過許多研究，但在實用方面的探究還是停留在基礎的貯箱結構層面。王惠明等人研究了液罐車在運輸過程中發生緊急情況而采取制動措施后達到穩定狀態時內部液體慣性力對貯液容器器壁受的沖擊作用。

2.分析模型的建立

為分析罐式運輸車在不充滿、緊急制動工況下的受力分布，通過Pro/E建立某半掛液罐車罐體的實體簡化模型，并以ANSYS軟件為分析平臺，對實體簡化模型進行前處理操作，把創建的實體模型轉化成有限元分析模型，為后續的數值分析做鋪墊。

2.1實體模型的建立

利用Pro/E繪圖軟件建立半罐液罐車的罐體簡化實體，該罐體是由鋼板卷焊而成的空間板殼結構，由簡體，封頭，防波板以及隔板組成，其橫截面為橢圓形，前后簡體由中間變截面橢圓形連接。罐體總長12450mm，寬2480mm，高2180mm，壁厚6mm。

罐式運輸車罐體結構材料（如防浪板）均是碳素結構鋼Q235，彈性模量為2.06×105Mpa，泊松比為0.3，屈服強度為2.35×102Mpa，密度是7800kg/m3。

為了簡化實體模型，在保證力學性質的前提下，對罐體模型做一些簡化，簡化后模型的剖面圖如下圖1.1所示。

2.2有限元網格劃分

在創建有限單元模型時，需對實體進行網格劃分。

由于條件限制，采用整體網格劃分方法的計算機計算量太大，因此在保證結果的基礎上，為了降低計算量對有限元模型進行簡化：

第一，在罐體模型中隔板將液罐體隔成兩個單室，然后在每個單室中加入若干個防浪板，因此，可以數值仿真一個單室來代替整體模型的仿真分析。

第二，雖然半罐液罐車罐體形狀為變截面，但罐體前后段的支撐重力方式不同，對仿真分析結果影響很小，因此將半掛車多腔室罐體轉化成雙腔室橢圓形罐進行分析，經前處理操作后的有限元模型如圖1.2。

2.3求解方法設置

本文基于單向流固耦合分析方法對罐體的結構進行分析，使用VOF多相流方法定義自由液面，選用k-s湍流模型進行仿真分析，并選擇PISO算法處理速度壓力耦合。

3.仿真結果及分析

本文對充液比分別為30%，50%及90%三種情況下的半掛液罐車在緊急制動情況下由于液體晃動對罐體產生的作用力進行仿真研究。

3.130%充液比的分析結果

半掛罐式運輸車充液比為30%，制動前車速是90m/s，制動時開始計時t=0，制動減速度是5.08m/s2，施加在z軸正方向。通過仿真分析得出罐體的應力分布圖。

由圖2.1和圖2.2可以看出罐體前封頭的邊緣處應力值最大。防浪板的卸料孔出的應力值也較大。罐體的后封頭表現出受力較小的情況，罐體簡體的應力值沿z軸正方向逐漸增加。

3.250%充液比分析結果

初始條件和充液比為30%的參數設置相同。該充液比下，液體已經超過防浪板的人孔位置，防浪板的緩沖作用更加明顯。

由圖2.3可以看出中部防波板的受力最為明顯，達到應力的最大值，而后封頭應力變化則較小。這是因為盡管液體有一定的沖擊，但由于中部防波板的存在，對液體的沖擊作用形成了很大一部分緩沖作用。由圖2.4可看出筒體的應力和充液比為30%表現出相同的情況，但數值要明顯大得多，應力高出一倍，這表明充液比為50%時要比充液比為30%時危險。

3.390%充液比的分析結果

由于液罐車裝載時，并不是百分之百充滿，考慮到液體的膨脹系數、溫度、工況等因素，充液比為90%時即認為是滿載。

從圖2.5，圖2.6可以看出最大應力出現在前封頭與簡體交界處，防波板，應力分布情況和30%充液比的應力分布情況相差不大，但應力值較大，對結構造成一定的威脅。

4.結論

通過對30%充液比，50%充液比及90%充液比三種不同的工況的仿真分析，得出當充液比為50%時液體的晃動最比30%充液比下的液體晃動明顯；而當充液比為90%時，由于罐體上部空氣很少，液體隨著罐體一起運動，因此液體晃動程度較前兩種情況較小，但是整個罐體所受應力值較大，對罐體結構造成一定危害。