危化品液罐車防波板對其行駛穩定性的影響

王林　朱天軍　胡偉　栗圣博

摘要：流固耦合的作用是影響危化品液罐車的運輸安全性、可靠性的一個重要領域。罐體內液體的晃動所產生的力對車輛運動學和車輛穩定性有著很大的影響：液罐車在轉向過程中，液體的橫向動力學會影響到車輛的行駛的穩定性。而縱向動力學會造成制動力的損失和加速方向控制力不穩定。在本文中，論文借助理論分析、等效模型和仿真研究等方法，對縱向運動學進行了深入研究，通過數學模型的建立，從原理數值上論證了新型防波板的設計合理性。對設計的不同防波板進行建模與仿真，通過定點分析以及對比，得到了令我們滿意的仿真結果，驗證了防波板模型的合理性和新型防波板在危化品液罐車中推廣的可行性。本文為設計新型防波板以及研究不同防波板對液罐車行駛穩定性影響提供了一定的理論依據。

關鍵詞：危化品油罐車;穩定性;模型

1.1油罐車動力學模型

由于低控性的限制，重型車輛在規避機動時以特殊的方式發生傾翻現象。事實上，運載剛性貨物的卡車的重心太高，與SUV或乘用車相比，這導致了縱向和橫向的巨大載荷轉移。準靜態側翻閥值（SRT）是指在穩態轉彎時，內曲線側輪的升力引起的橫向加速度的量度，用重力加速度的分數表示。已發現準靜側翻閥值適合于預測重型車輛的側傾穩定性特性。忽略輪胎和懸掛的彈性變形，對靜態側翻閾值的一個粗略估計是由靜態穩定因子（SSF）比給出的：。通過靜態穩定因子（SSF）方程（1）中是軌道寬度，是重心的高度;明確地指出了重心高度對罐車穩定性的影響;事實上，增加的結果就是使得靜態穩定因子比減少。在許多研究中，已顯示側翻碰撞頻率與側翻穩定極限之間的關系。為降低與翻車事故有關的公路安全風險，已提出了最低0.35 g的商業運營標準。

1.2 ?罐體幾何模型的建立

本文研究的對象是基于勒洛三角原理，在傳統的方形和圓形油罐車的橫截面基礎上改善而來的，而設計出的上圓下方的方圓形油罐體幾何截面模型。具有儲量大、質量重心低的特點。

?液化氣體運輸車?中規定：“罐體內應設置防波板，每個防波板間距不得超過1.75m，每個防波擋流板的有效面積不得低于罐體橫斷截面的40%”。根據我國的相關設計規范，本文設計的罐體事以我國通用標準設計而來的。罐體的幾何尺寸：罐體全長為6880mm，高度為2030，寬度為2600，各擋流板間隔為1720mm，為了簡化模型，本設計壁厚和擋流板厚度均為10mm。罐體、封頭、擋流板的材料均采用強度較高的>400MPa的低合金高強度結構鋼。

1.3 ?等效晃動幾何模型的建立

因為液體晃動本身是一個復雜且無法準確定義的運動狀態，所以我們需要簡化模型，并建立油罐車晃動的等效力學準靜態模型，通過準靜態方法分析不同類型的擋流板上的壓力、應力等，來研究擋流板對油罐車穩定性的影響。

在圖1中，是側面的加速;是垂直輪胎負荷，= 1，2;是車輛的重量，是相對于軌道的重心的橫向運動。

準靜態模型是用來預測運動容器內液體液面穩態位置的常用方法。在這種方法中，可以對不同激勵下的液體，進行質心位置的標定。結果表明，隨意晃動的液面可以用直線或面來代替。根據滾轉平面的橫向加速度或傾斜平面的縱向加速度，可以計算出自由液面的位置。然后，在車輛轉向時，分析穩態貨物在動力學性能下的載荷轉移情況。在穩定轉向時，假定不可壓縮的油罐車均勻流體在非慣性參考系中動量守恒：

（1）

;（2）

其中，是流體密度和壓力;和分別是重力和油罐的自轉速度，是非慣性參照系的旋轉軸線和原點，即儲罐的中底點之間的距離。

這組方程為小滾角提供了一個拋物面自由面。然而，對于半徑較大的道路集裝箱相比于集裝箱的寬度而言來說，術語cos可以忽略不計。這與羅伯特等人提出的罐車液面自由度的評定可以忽略這種近似誤差結論相爭議。在方程（1.1）和（1.2）中引入橫向加速度：

（3）

（4）

通過自由表面上的p=0，可以得到自由表面下面的方程：

（5）

穩態轉動下二維曲面模型導出自由液面方程：（6）

假定小滾轉角的自由表面梯度可以表示為：（7）

因此，滾平面內的自由面是一個與它的初始位置相對應的直線。類似的方程可以得到二維平面間距恒定縱向加速：（8）

其中P是表示在俯仰平面液體自由表面的坡度，是表示縱向加速度而P是罐車的傾斜角。基于自由曲面的梯度、液體填充水平和罐的幾何形狀，可以計算液體體積在縱向、橫向和垂直方向上的平移。曲面平面模型中的液體重心坐標可以得到如下：

（9）

Ω是流體取值范圍，對于傾斜平面模型，可以計算液體質量中心坐標：

（10）

準靜態晃動模型是探索油罐車液體運動狀態下穩態負荷變化的一種有效的方法。

2.1 ?三維模型的建立

因為罐體和擋流板的三維模型較復雜，所以本文所需要的三維模型是在CATIA軟件進行建模的。因為本文研究的是不同擋流板對油罐車穩定性的影響，所以罐體簡化模型的尺寸和截面都是統一的。如圖所示：

2.2 ?網格劃分及網格質量評價

網格劃分是流體動力學仿真分析最重要的步驟之一，網格劃分的密度和質量直接影響到了流體仿真結果的精確度和準確性。在網格形狀參數中，我們選擇六棱柱和四邊形相結合的網格形狀，在網格關聯質量我們選擇高等，高級尺寸功能我們選擇按照距離和曲率進行劃分網格。因為本文我們研究的對象主要是防波板對油罐車穩定性的影響，關于膨脹層的設置，我們設置的對象是在三個防波板上，膨脹層數為5層，過渡方式選擇平滑過渡。生成網格后檢查網格質量，網格質量合適回到Workbench中更新網格。

3 ?CFD（計算流體動力學）仿真和分析

在Workbench搭建的仿真流程，設置劃分好網格就可以正式進入fluent板塊里面進行相關步驟的設置。因為我們研究的是液體晃動瞬態的，所以我們的模型選擇湍流，本文也將已經到液體體積的變化，要求設置為VOF。液體材料我們選擇煤油，主相為空氣，次相為我們選擇的煤油。

因為我們還將研究不同填充率對擋流板對油罐車穩定性的影響，因為本文模型較正常油罐車模型復雜些，所以本文通過設置液面在罐體里的高度來簡化煤油的填充率。為了簡化罐體的受力境況，在罐體的底部看做是地面并施加一個與之平行的縱向力，設置受力20秒，前12秒加速到10m/s，后8秒緊急制動到0m/s。因為與液體相作用的是內表面，所以我們先抑制外壁再激活流固耦合界面。其它條件均是理想情況，而且我們本次仿真不考慮液體的粘度對晃動的影響。該模型采用三種不同的橫向擋流板，在理想的縱向加速度和重力加速度場的組合下，進行仿真。

在進行有限體元仿真分析中，施加縱向加速度下的瞬時晃動力。研究表明，不同的填充率，對擋流板的影響也有所不同，本文我們主要比較的是方便觀察的俯仰力矩，可以發現多孔對俯仰力矩的影響最為明顯，而半圓形擋流板和圓形擋流板對俯仰力矩的抑制作用相差無幾。仿真實驗是在準靜態理想化的直線制動良好路面上進行制動操作的策略下進行的，在填充率較低時，擋流板的作用遠遠不如填充率較高時來的明顯，而且其中多孔擋流板的作用尤其突出。

本文也對液體速度和加速度進行了仿真，勻速行駛速度較低，設置仿真時間為勻速行駛1s后，進行制動3.5s的過程。我們進行了在全制動的的操作下，研究最后一塊防波板周圍流體的速度以及加速度。制動4s后，液體表面已經停止晃動，通過展示的三種不同擋流板排列的模擬過程中自由流體速度的的演變，可以看出，擋流板的存在顯著地抑制了流體運動，但由于我們設置的是低速，所以各個擋流板對液體晃動的抑制的差異不是很明顯。

隨后我們又對各個不同防波板對縱向力、垂直力還有俯仰力矩進行了綜合對比分析發現對流體的俯仰力矩還有縱向力影響最明顯的依然是多孔的擋流板。因為是直線行駛的全制動，所以各擋流板對流體的垂直力影響差異不是很明顯。

在主要對縱向全制動工況仿真分析了之后，本文為了研究防波板對橫向動力學的影響，對液罐車在規避變道操作時的制動轉向工況進行了仿真研究。為了方便觀察研究，我們設置填充率為50%，初始車輛速度為70km/h，規避變道操作完成時為48km/h。通過在準靜態模型中對CFD液罐車的橫向加速度響應進行比較，若僅觀察橫向的液體加速度響應，防波板對制動轉向工況中橫向的流體晃動影響很有限，影響程度小、時間短。所以我們可以知道防波板的主要抑制縱向的液體晃動。

4 ?結論

通過合理簡化并進行構造等效模型的方法，先進行準靜態分析，在理想狀態下對罐體就行全制動的液體激勵仿真，通過在ANSYS中標記擋流板周邊某一點作為等效力學的研究對象，對比其的速度、加速度以及罐內流體的俯仰力矩，來進行分析擋流板對液體晃動的影響，從而得出擋流板對罐車穩定性的重要作用。仿真結果很理想，本文通過三種不同的防波板仿真對比，從而得出所設計的多孔擋流板對流體晃動可以有效地降低過渡峰和平均其俯仰力矩，而且其質量也是最輕，結構得到優化。在規避變道工況中知道了防波板對橫向加速度的影響極小。對增大側翻閥值從而減少側翻事故提供了理論依據。為設計的防波板模型的合理性以及新型防波板在危化品液罐車中推廣論證了可行性。本文對于研究油罐車的側傾及其穩定性有著一定的指導意義。

參考文獻

[1]王次安，王宏大，張蕾.基于流固耦合的罐裝車結構優化設計[J].專用汽車，2014（10）

[2]田小平，白莉.液罐車動態結構強度有限元分析[J].現代制造技術與裝備，2017（08）