液體罐裝車罐體結構穩定性研究

劉耀邦，程 章

（1.安徽交通職業技術學院 汽車與機械工程系，安徽 合肥 230051；2.合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009）

液體罐裝車罐體結構穩定性研究

劉耀邦1,2，程 章1

（1.安徽交通職業技術學院 汽車與機械工程系，安徽 合肥 230051；2.合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009）

液體罐式車在運輸行業中應用極為廣泛，相對較其他運輸車輛，研究基于液罐車罐體部分的氣液兩相流固耦合現象和其工作狀態下的外界激勵產生的振動，本文以相流模型作為理論基礎，建立該液罐車的整車UG模型和有限元模型，通過液罐車的靜態結構分析及固有頻率與隨機振動頻率的研究，能夠有效避免共振而引起的結構局部變形或結構破壞現象.

液罐車；相流模型；有限元分析；模態分析；穩定性

1 引言

罐式汽車[1-3]是指裝有罐狀容器的完成特定作業任務的專用車輛和專用汽車列車[4]，用于運輸液體、氣體或粉粒或粉末狀物質.20世紀50年代起，我國開始進行罐式專用車制造.如今，罐式運輸車基本實現多功能化、大容量化及自動化.本文的研究對象——半掛式液體罐裝車實物圖如圖1所示.其罐體部分與車架部分剛性連接.罐體部分為封閉的伴有筒體、封頭、防浪板及管道的罐式容器.

本文重點考慮特殊工況下，液體產生的瞬態動載荷可能產生的液罐車結構失效，國內外越來越多的學者投入到固液耦合振動方面的研究，俄羅斯和美國率先取得研究成果，1953年，Niordson F.I和V.N.Pi1ipchuk等人對儲液容器振動問題進行的研究[5]，并將搭建模型進行研究[6].20世紀80年代，以居榮初為首的液固耦合問題研究成果應用于實際抗震分析中[7].90年代，王世忠[8]等人更是取得突破性成果.

圖1 液罐車實物結構圖

2 歐拉多相流模型

氣液兩相流模型如圖2所示[9]，從圖2可見，氣體與液體之間存在明顯的界面.

圖2 氣液兩相流自由液面圖

當各相質量、動量傳輸方程均不同時，引入歐拉多相流模型[10]，其方程為：

其中：Ta=c12(?2-?1)

多相流模型質量連續方程：

多相流模型動量傳輸方程：

其中：ρ：混合流體密度；U：平均速度；?：實際含氣率；p：混合流體壓強.

3 罐體模型建立

液體罐式運輸車常運輸易燃易揮發液體，本文的液罐車用來運輸環庚烷，環庚烷為無色油狀液體，沸點118.5℃，相對密度0.81（20℃），閃點6℃，燃點極低，化學特性不穩定，其蒸氣與空氣混合時遇熱源和明火燃燒和爆炸的可能性極大.所以液罐車在運輸過程中必須具有更高的可靠性，以防出現問題.

3.1 液體罐式運輸車UG模型

液罐車主要由罐體、防護裝置、管道系統、人孔、行走系統、滅火器、支撐裝置、車架、牽引裝置、扶梯等組成，在不同的工作條件下，應力狀態是不同的.由于液罐車工作情況的特殊性，所以要求車架、罐體等主要部件應該具有較高的強度、剛度和形狀穩定性，以承受復雜的各種載荷而呈現正常工作狀態，并且要求它的質量盡可能小.基于此，對罐車模型進行各工況的結構靜力分析，找出結構應力集中及較大位置.

該液體罐式運輸車的參數如表1所示：

表1 液罐車參數

圖3 罐式運輸半掛車的UG模型圖

根據液罐車的二維CAXA圖紙并參考液罐車實車結構，進行該易燃液體罐式運輸半掛車三維建模工作，得到如圖3所示的易燃液體罐式運輸半掛車UG三維模型.

3.2 有限元模型建立

根據罐體結構力學原理，對罐式運輸半掛車的罐體結構進行簡化，忽略結構受力較小部件，如行走平臺、人孔、滅火器、防護裝置、扶梯等；對于起著支撐作用的結構，以約束來進行處理.建立罐車有限元模型，經過模型的簡化、幾何模型的建立、建模的單元的選擇、網格劃分等，液罐車有限元模型如圖4所示.最后得到的結構有限元模型共341516個節點，345042個單元.

圖4 罐式運輸車的有限元模型

4 液罐車模態分析

固有頻率是研究動態物體特征的重要參數，其數值與研究對象的結構、形狀及材料屬性有關，因固有頻率與振動狀態的強弱沒有關聯，但是外界的激振干擾頻率可能影響到液罐車的結構建模及產生共振造成的結構破壞，進行液罐車結構的模態分析，是為了明確液罐車的結構模型以及不同模態時液罐車的固有頻率[12]，便于研究者了解外界的激振干擾頻率到液罐車的結構建模的影響，并考慮共振現象存在與否.

圖5 各階模態云圖

很顯然，液罐車是一個多自由度系統的運動體，其自身激勵難免造成車體振動，外界激勵也會影響到振動研究.比如路況的不同，會出現不同的外界振動激勵，尤其要注意隨機振動頻率等同于固有頻率而出現的共振.當液罐車工作時，其發動機氣體燃燒出現的壓力變化和活塞工作的慣性產生的振動是液罐車自身激勵的主要來源[13]，這些自身因素和外界激勵的頻率與液罐車某一階對應固有頻率值接近時，就會產生共振，結果輕則引起液罐車的局部結構變形，重則會造成液罐車的總成結構破壞.

罐車固有振型有罐車的整體振動和以罐車一個或幾個部分振動為主的局部振動兩大類.本文重點研究中主要考慮局部振動模態，局部振動模態圖如圖5所示.

前六階次振型的結構固有頻率如表2所示，可見，液罐車第一階模態結構的固有頻率為50.46Hz，遠遠高于外界激勵頻率，從液罐車的前六階結構固有頻率可以看出半掛液罐車整體結構振型平穩.

表2 前六階次振型結構固有頻率

液罐車工作時主要激振頻率為路面不平度引起的激振頻率，值域[1Hz,20Hz]，其次為發動機工作引起的頻率范圍較寬的簡諧激勵.根據頻率計算結果以及液罐車模態分析結果可知，液罐車一階模態頻率為50.46Hz，不僅僅高于路面激勵頻率，也高于發動機工作時氣體燃燒出現的壓力變化和活塞工作的慣性產生振動的固有頗率，而且振型平穩，可以確定外界頻率的激勵對液罐車的整車各階模型的影響可以忽略.

5 結論

根據半掛液罐車的自由模態分析，得到液罐車的固有頻率及前面六階的振型，根據分析，可知液罐車整體結構的固有頻率值較高，集中在[50.46Hz,60.96Hz]值域范圍，外界激振頻率對其影響可以忽略不計，排除了液罐車因為共振而導致的局部結構變形及破壞，該研究為今后的液罐車瞬態響應分析提供了可靠的理論依據和模型平臺.

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安徽省2014年省級質量工程：工程機械運用與維護專業（群）教學團隊（2014jxtd084）