城市灑水車在不同液面高度下對車和罐體連接部位的受力分析

朱天軍+王晗

摘 要：以某型號灑水車為例，基于流固耦合的理論，通過Fluent以及Transient Structural對50%、60%、70%三種不同的液面高度下，在城市交通中加速和制動時液體晃動對車與罐體鏈接部位的受力進行分析，為設計人員提供數據參考。

關鍵詞：罐車；灑水車；流固耦合；ANSYS；受力分析

中圖分類號：U469.61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0170-02

引言

隨著我國城市化進程的不斷提高，城市道路和社區不斷的增多，伴隨著近幾年北方地區越來越嚴重的環境污染，加上人們環境意識的日益提高，人們對周圍環境的質量要求的水平也越來越高，城市的街道一天至少要早晚兩次灑水凈化，一些大的城市社區、廠企也開始購置灑水車來凈化周圍的環境，給業主、工人一個良好的工作環境。在這種大的環境下，灑水車的需求愈來愈高。

城市和高速的路況不同，難免會遇到紅綠燈或者行人等一些需要頻繁啟動，制動的路況，因此對車與罐體連接部位的耐久度產生巨大的影響。本文以某個罐車為研究對象，在其不同的液面高度的狀況下，對加速和制動對其車與罐體的連接點的受力狀況進行分析。

1 罐體有限元模型的建立

1.1 模型的簡化

在建立有限元分析模型[1]時，忽略焊接工藝對罐體的影響，將整個罐體看成一個整體，為了簡化計算，忽略罐體中小型構件對整個液體晃動的影響。基于以上原則建立罐體的模型，模型由前后封頭以及筒體組成，前后封頭為橢圓形，筒體長為2040mm，寬度為1040mm。高度為7040mm，壁厚20mm，材料為結構鋼。

1.2 網格劃分

將在geometry建立好的模型導入到Transient Structural中進行網格劃分，劃分時采用四面體網格。

1.3 約束模型的建立

由于本文只研究罐體在啟動制動時罐體對車與罐體連接部位的受力情況，所以結合實際考慮，在底部建立約束，其中X方向為物體運動的方向。

1.4 工況設置

根據罐車的工作要求[2]，結合城市交通的實際，設置罐車的整個完整工況為8秒，其中0-6秒為加速，速度從0m/s-20m/s，6-8秒為減速，速度從20m/s-0m/s。

2 液體晃動模型的建立

進入workbench-Fluent，導入罐體模型，在Geometry中設置液體充滿罐體[3]。為了研究裝載量不同對連接點的受力，本文設置了3種不同液面高度的狀況。分別為總高度的50%，60%，70%。罐體的上半部分為氣體（空氣），下半部分為液體（水）。進入setup設置，具體步驟如下：

（1）分析設置類型為瞬態，定義重力加速度為z軸負方向。

（2）模型設置為多向流VOF模型，湍流模型設置為可實現的k-ε模型，設置動網格。

（3）采用打補丁的方式定義液面高度（50%、60%、70%）。

（4）定義時間步，迭代次數等。

將Fluent中設置好的3種不同液面高度的液體分別和Transient Structural聯合，導入到workbench中的系統耦合器（system couplin）進行分析計算，得出罐體與車連接部位的受力曲線如下列圖所示。

由圖像得出3種不同液面高度分別在加速階段受到最大的力為0.1s時的受力，減速階段受到的最大力為6.02秒時的受力。

3 罐體防晃板

在外部激勵下，罐內液體的晃動會對罐體壁面產生沖擊力和沖擊力矩，特別是在罐車轉向時，由于液體橫向晃動可能會導致側翻力矩的急劇增大，當側翻力矩增大到一定閥值時會導致側翻等事故的產生。因此目前在罐車設計時通常會在罐體內部安裝防晃板來抑制液體的晃動。

3.1 模型建立

目前國內罐車大多安裝橫向防晃板，即防晃板面垂直于罐體的軸向，而很少安裝縱向防晃板。如圖4所示。

3.2 分析仿真

利用ANSYS軟件對液面高度為50%的承載進行分析，工況設置與上文完全相同。圖5為連接部位在罐體安裝防晃板的狀況下的受力曲線圖。

4 結束語

（1）使用Fluent可以分析出罐車晃動時液體對車內的受

力，還可以比較精確的掌握各個時間點受力大小，這是傳統的解析法做不到的。

（2）由啟動加速制動減速的工況可以得出，啟動加速階段YZ方向的受力幾乎可以忽略不計，制動減速階段YZ方向會受到液體晃動的影響從而產生較大的力，但在液面高度為70%時YZ方向在制動減速階段的受力變得很小。

（3）隨著液面高度的提升在加速階段受到的總力越來越

小，減速階段受到的總力越來越大。

（4）在同等裝載量的情況下，有防晃板與沒有防晃板相比較，有防晃板的罐體受力要穩定得多，有利于車輛的穩定性。

參考文獻：

[1]龔曙光.ANSYS基礎應用范例解析[M].北京：機械工業出版社，2003，1：29-160.

[2]Jiang Z， Harrisonl DK，Cheng K.An integrated concur-rent engineering approach to the design and manufacture of complex components[J].Thenter- national Journal of Advanced Manufacturing technology，2002，20（1）：319-325.

[3]陳哲.高建和液罐車車體制動工況下的仿真分析研究[J].機械工程與自動化，2016，03.

[4]M.Ibrahim and D. A. Crolla. A Novel Hybrid Roll Control Strategy for Partially Loaded Tanker Trucks. SAE Paper，3351-3386.

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