某取排水車180°鉸接式彎管優(yōu)化分析

張梁，歐陽聯(lián)格，劉金武，歐陽莎

某取排水車180°鉸接式彎管優(yōu)化分析

張梁1，歐陽聯(lián)格1，劉金武1，歐陽莎2

（1.廈門理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建僑龍應(yīng)急裝備股份有限公司，福建 龍巖 364000）

為了解決新型鉸接式彎管的變形問題，利用ANSYS軟件對鉸接式彎管進行建模和流固耦合分析，發(fā)現(xiàn)原始彎管兩側(cè)中部內(nèi)凹、彎徑增大、最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力，據(jù)此提出了導(dǎo)流器錯位排布方案。結(jié)果表明：采用方案三錯位排布導(dǎo)流器方案、將導(dǎo)流器間距設(shè)為70 mm時得到最優(yōu)方案，優(yōu)化后的彎管4最大應(yīng)力由178.12 MPa降低到92.4 MPa、降低了52%，彎管12最大應(yīng)力由289.52 MPa降低到135.4 MPa、降低了47%，取得了較好的優(yōu)化效果，為180°彎管導(dǎo)流器設(shè)計提供了一種新方案。

鉸接式彎管；流固耦合分析；結(jié)構(gòu)強度

彎管在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，局部變形、失效是其常見缺陷。國內(nèi)外針對彎管沖蝕、穿孔、破裂等問題有不少文獻報道。郭長青等[1]研究了管道系統(tǒng)的振動和穩(wěn)定性問題。諶冉曦等[2]分析了不同半徑對所受流體壓力和內(nèi)部流速的影響，得到了彎曲半徑與入口壓強對固有頻率和整體變形的關(guān)系。徐磊等[3]通過流固耦合分析了彎管不同流速、彎徑對沖蝕、失效、變形的影響。王艷林等[4-5]針對彎管變形，對其固－液耦合動力特性進行了數(shù)值計算，提出了用導(dǎo)流器按黃金比例排列，解決了彎管變形及剛強度問題。祝效華等[6]通過流固耦合分析了彎管連接角、壁厚、曲率半徑等參數(shù)對彎管固有頻率的影響。Ghazali[7]分析了壓力變化對彎管振動的影響，提出了幾種管線狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)。關(guān)于彎管增加導(dǎo)流器方案的研究，均以導(dǎo)流器間距為研究方向，且彎管均不受結(jié)構(gòu)場的作用力，其相關(guān)影響因素較少。

本文中鉸接式彎管的受力方向隨著舉升翻轉(zhuǎn)方向的變化而不斷變化，其結(jié)構(gòu)場受力相當(dāng)復(fù)雜。新型鉸接彎管流場的非定常流動會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)的變形反過來又會影響到流體的流動狀態(tài)，如圖1所示鉸接彎管在多場受力下嚴(yán)重變形。在彎管彎徑與壁厚不可改變的情況下，利用ADAMS運動學(xué)仿真，得出彎管在整個作業(yè)過程中的受力曲線，再通過流固耦合研究彎管結(jié)構(gòu)場與流場的相互作用，提出錯位排布導(dǎo)流器最佳優(yōu)化方案，對180°彎管增加導(dǎo)流器的研究提供了一種研究方向。

1 新型鉸接式彎管力學(xué)分析

1.1 取排水機構(gòu)工作原理與性能指標(biāo)

本文中鉸接式彎管是某取水車實現(xiàn)舉升變位的重要部件，也是改變流體方向的部件，為得到鉸接式彎管結(jié)構(gòu)場受力，須對其工作狀態(tài)進行分析。取排水機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，排水舉升油缸將排水一節(jié)水管通過彎管1旋轉(zhuǎn)舉升至所需位置，排水舉升油缸停止工作，伸縮油缸15將排水伸出管伸出至工作高度，伸縮油缸15停止工作，排水回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)至工作方向。取水舉升油缸通過彎管12旋轉(zhuǎn)將取水一節(jié)水管舉升至工作高度，取水回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)至工作方向，折疊油缸通過彎管4將取水二節(jié)管舉升至工作位置，取水舉升油缸將取水一節(jié)水管調(diào)整到工作位置，伸縮油缸5將取水伸出管8伸出，將固定在8上的水泵移至積水處取水。

取排水機構(gòu)設(shè)計性能指標(biāo)為：取水管舉升角度為-50°～40°，取水管展開角度為0°～140°、最深取水深度為9 m，排水管舉升角度為0°～60°、最大高度為13.5 m，根據(jù)性能指標(biāo)計算得到各液壓油缸的行程，作為ADAMS中step函數(shù)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2 ADAMS運動仿真

將簡化模型導(dǎo)入Adams/View中建立虛擬樣機模型，將相對運動靜止的部分進行合并，對虛擬樣機賦予材料，并進行完善[8]。取排水作業(yè)狀態(tài)靠各油缸順序動作完成，為了更準(zhǔn)確地反映機構(gòu)的工作狀況，將各油缸的運動過程用階躍函數(shù)Step表示[9]：

排水舉升油缸為step(time,0,0,17.8,922)

伸縮油缸15為step(time,17.8,0,61.4,4270)

取水舉升油缸為step(time,61.4,0,73.9,400) +step(time,136,0,169.9,-1085)+step(time,204.2,0,231.8,862)

折疊油缸為step(time,93.9,0,136,1690)

伸縮油缸5為step(time,169.9,0,204.2,2650)

1、4、12.鉸接彎管；2.排水回轉(zhuǎn)平臺；3.排水舉升油缸；5、15.伸縮油缸；6.折疊油缸；7.取水二節(jié)水管；8.取水伸出水管；9.取水一節(jié)水管；10.取水舉升油缸；11.取水回轉(zhuǎn)平臺；13.排水伸出水管；14.排水一節(jié)水管。

仿真分析前對模型進行驗證，確保不存在冗余約束，之后對舉升伸縮臂架進行仿真分析，將時間設(shè)置為300 s，步數(shù)設(shè)置為1000。由于取排水機構(gòu)兩邊對稱，因此只測量單邊鉸點的受力特性。鉸點峰值如表1所示，根據(jù)分析可得，在最遠取水工況時，彎管4、12受力峰值遠大于彎管1。因此，對取水機構(gòu)彎管進行流固耦合分析。

表1 彎管鉸點受力峰值

2 新型鉸接式彎管流場分析

根據(jù)能量方程，采用絕對壓強，則有[10]：

式中：P為絕對壓強，MPa；為液體密度，kg/m3；H為水深，m；P為水泵的功率，kW；為水泵的流量，m3/s；η為水泵的效率；為提水高度，m；h0-2為損失高度，m。

因此可得提水高度為：

式中：為彎管阻力系數(shù)；ζ為蝶閥損失系數(shù)；為沿程阻力系數(shù)；、分別為水管長度、直徑，m；為管流速，m/s。

可知，隨著越小、越大，因此當(dāng)最遠取水工況時流速最大。

2.1 控制方程

流體控制方程根據(jù)不可壓縮的牛頓流體守恒定律如下。

質(zhì)量守恒方程為：

動量守恒方程為：

能量守恒方程為：

式中：為某點壓強，MPa；為時間，s；f為體積力矢量，N；ξ為流體密度，kg/m3；為流體速度矢量，m/s；τ為剪切力張量，N/m2；為單位質(zhì)量內(nèi)能，kW；q為單位體積熱量損失，kW。

固態(tài)控制方程根據(jù)牛頓第二定律導(dǎo)出，為：

2.2 流固耦合分析有限元模型

流固耦合的數(shù)據(jù)傳遞是將流體計算結(jié)果和固體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果通過交界面相互交換傳遞；為了傳遞位移變量，流場耦合面上的節(jié)點必須映射到固體耦合面的單元上；為了傳遞應(yīng)力，固體耦合面上的節(jié)點必須映射到流場耦合面的單元上。因此，劃分網(wǎng)格應(yīng)保證流場和固體耦合界面上的節(jié)點相同，從而保證流固耦合界面?zhèn)鬟f的精度，其流體網(wǎng)格、固體網(wǎng)格和有限元模型如圖3所示。彎管材料的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 不銹鋼304的性能參數(shù)

2.3 流場計算與分析

新型鉸接式彎管內(nèi)流場數(shù)值模擬介質(zhì)為水，在溫度為20℃時密度為998.2 kg/m3，運動粘度為1.006 mm2/s，泵流量為1500 m3/h。首先確定流動類型[12]。

雷諾數(shù)為：

邊界雷諾數(shù)為：

即在4000＜＜1范圍之內(nèi)，故為水力光滑區(qū)。

彎管4入口邊界條件為水平恒壓進水、入口壓力大小恒定為0.346 MPa；出水口邊界條件為恒壓出水、壓力大小為0.345 MPa。

彎管12入口邊界條件為水平恒壓進水、入口壓力大小恒定為0.342 MPa；出口邊界條件為壓力出口，壓力為0 MPa。

經(jīng)過流固耦合分析，得到彎頭4、12的流場分布如圖4、5所示：彎管4內(nèi)，最大壓強為0.3456 MPa，最小壓強為0.3435 MPa，總壓差為0.021 MPa；彎管12內(nèi)，最大壓強為0.211 MPa，最小壓強為-0.578 MPa，總壓差為0.789 MPa。由圖4（a）（c）可看出，彎管外側(cè)為減壓程，而內(nèi)側(cè)為增壓過程，出水口內(nèi)外側(cè)壓強趨于平穩(wěn)；由圖4（c）、圖5（c）可以看出，出水口流向向下集中，對出水口下部造成沖擊。

通過流固耦合得到彎頭4、12的應(yīng)力分布、變形分布如圖6、7所示。

根據(jù)文獻[13]有：

式中：σs為鋼材屈服點，MPa；σb為鋼材的抗拉強度，MPa；0.7為強度系數(shù)比。

圖5 彎管12的流場分布圖

鋼材的基本許用應(yīng)力[]和強度安全系數(shù)，如表3所示。

表3 強度安全系數(shù)n和鋼材的基本許用應(yīng)力[σ]

彎管材料采用不銹鋼304、載荷組合B，安全系數(shù)1.34，則基本許用應(yīng)力為153 MPa。彎管4的應(yīng)力最大值為178.12 MPa，大于許用應(yīng)力，較大應(yīng)力集中于與法蘭焊接周圍，其變形方式為兩側(cè)內(nèi)凹，其變形量較小。彎管12的應(yīng)力最大值為289.52 MPa，位于彎管與法蘭焊接周圍，超過材料屈服強度，其變形方式為兩側(cè)內(nèi)凹，中下部尤其明顯，鉸點中心距拉長，影響舉升時旋轉(zhuǎn)套的靈活性。

綜上知，彎管出水口水流向下集中，與結(jié)構(gòu)場共同作用使應(yīng)力集中于出水口周圍，造成彎管中下部內(nèi)凹變形，與實際變形結(jié)果一致。

圖6 彎管4的應(yīng)力、變形分布云圖

圖7 彎管12的應(yīng)力、變形分布云圖

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)耦合特性分析

3.1 導(dǎo)流器錯位分布位置的影響

根據(jù)以上分析結(jié)果可知：

（1）出口處水流方向向下沖擊，且彎管彎徑方向剛度較弱，導(dǎo)致應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在出口端部周圍；

（2）進口處水壓對彎管外側(cè)的沖擊與結(jié)構(gòu)場力作用，導(dǎo)致彎徑方向的拉伸，形成彎管中下部內(nèi)凹的變形方式。

要解決以上問題，同時又不改變彎管外部結(jié)構(gòu)，就必須從彎管內(nèi)部著手，通過改善彎管內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改善流體的管壁的沖擊以及改善彎管彎徑方向的剛度。可在彎管內(nèi)部增加導(dǎo)流器來均化流速分布與疏導(dǎo)流體方向，減少內(nèi)側(cè)流體沖擊外側(cè)流體和外側(cè)管壁。但密集設(shè)置導(dǎo)流器會減少彎頭的橫截面積，使流速增大，易造成局部流體分離，誘發(fā)湍流的行成。因此本研究主要考慮3片導(dǎo)流器，通過分析比較不同排布方式與間距變化（圖8），進而得到最佳優(yōu)化方案。首先考慮1、2和3參數(shù)變化下的優(yōu)化方案，對彎管12進行分析，得到三種較好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)流場計算結(jié)果，如表4和圖9所示，其中：方案一將彎管中部剛強度集中加強，減小彎管彎徑位移，減小外側(cè)壓強達到優(yōu)化目的；方案二以改變水流出口方向，減小出口處水流沖擊，增強出口局部剛強度，達到優(yōu)化目的；方案三以減小進口水流對外側(cè)壁的沖擊，在中下部內(nèi)凹處增加導(dǎo)流器增強其剛強度。

研究發(fā)現(xiàn)，三種內(nèi)部加裝導(dǎo)流器方案可大大改善其結(jié)構(gòu)受力情況，根據(jù)表4和圖9的分析結(jié)果數(shù)據(jù)可知，三種方案流速、應(yīng)力最值和位移最值均有降低，其中方案二流速最小為3.73 m/s，方案三應(yīng)力最值最小為148.9 MPa，方案一位移最小為3.4mm，三種方案壓差值稍增大，變化量較小。

圖8 錯位排布式導(dǎo)流器方案

表4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)三種較好結(jié)果

圖9 三種方案應(yīng)力分布云圖

對比三種方案可知，方案三應(yīng)力結(jié)果小于許用應(yīng)力153 MPa，達到設(shè)計要求，原因是出口處受力被內(nèi)側(cè)導(dǎo)流器很好的均開，流速分布均勻，出口處水流方向趨于水平，無回流與二次流現(xiàn)象，其外側(cè)壓強有明顯降低，如圖10所示，達到了應(yīng)力最值優(yōu)化最小值；因此選擇方案三作為進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

方案三與其他方案的最大壓強差和最大位移量相差較小，但其應(yīng)力最值相差較大，判斷原因為方案三內(nèi)側(cè)導(dǎo)流器入水端壓強小流速快，壓強小，對出口處形成了局部剛強度加強與流場改善，結(jié)合圖9（c）與圖10（b）可知內(nèi)側(cè)導(dǎo)流器間距對結(jié)果有較大影響。

3.2 導(dǎo)流器間距的影響

由以上分析結(jié)果，決定采用方案三導(dǎo)流器錯位排布的基礎(chǔ)，對三塊導(dǎo)流器的間距進行分析，以中間導(dǎo)流器位置為基準(zhǔn)，根據(jù)水流進入方向，首先放置外側(cè)導(dǎo)流器，將外側(cè)導(dǎo)流器與中間導(dǎo)流器間距參數(shù)化為1建立分析模型。根據(jù)加工工藝，板間距需要大于等于50 mm，以10 mm等差間隔取50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm共六組參數(shù)。

根據(jù)分析結(jié)果得到，當(dāng)間距1為70 mm時，總壓差為0.779 MPa，最大應(yīng)力值為165 MPa，位移量為3.70 mm，為前兩塊導(dǎo)流器最佳優(yōu)化效果，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)布置第三塊導(dǎo)流器。

將內(nèi)側(cè)導(dǎo)流器與外側(cè)導(dǎo)流器間距參數(shù)化為2，以10 mm等差間隔取到6組參數(shù)：50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm。

圖10 方案三流場壓強與流速分布圖

分析結(jié)果如表5所示，當(dāng)板間距增大時，壓差一直增大，最大應(yīng)力值、最大位移量和流速均先減小后增大，因此可知，當(dāng)?shù)谌龎K導(dǎo)流器與中間導(dǎo)流器間距越遠時，內(nèi)側(cè)流速越大，壓強越小，形成較大的壓差，如圖11所示。綜合結(jié)構(gòu)場分析結(jié)果，當(dāng)2取值為70 mm時，最大應(yīng)力為135.4 MPa，最大位移為3.25 mm，內(nèi)側(cè)導(dǎo)流器兩側(cè)流速變化平緩，受力分布更均勻，為最佳優(yōu)化方案，最大應(yīng)力值比原始鉸接彎頭減小了47%，比初始方案三減小了8%，可見優(yōu)化效果得到了進一步的改善。

表5 不同間距L分析結(jié)果

圖11 最佳優(yōu)化方案壓強、流速和應(yīng)力分布云圖

彎管4受力值遠小于彎管12，因此將彎管12的優(yōu)化方案運用于彎管4，進行分析得到最大應(yīng)力值92.4 MPa，小于許用應(yīng)力的153 MPa，符合設(shè)計要求。

最終得到當(dāng)采用方案三錯位式導(dǎo)流器、導(dǎo)流器間距均為70 mm時，可以有效地改善彎頭內(nèi)流場分布狀況和滿足剛強度要求，該優(yōu)化方案為最佳。

4 改進結(jié)構(gòu)后的產(chǎn)品

新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品如圖12所示，經(jīng)多次長時間使用未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，證明改善產(chǎn)品具有實用性，后期可用應(yīng)變片測量，驗證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖12 無變形彎管

5 結(jié)論

針對某現(xiàn)有新型鉸接式彎管變形，根據(jù)ADAMS運動學(xué)分析與流體力學(xué)分析，得到新型交接式彎管極限工況的邊界條件，再通過流固耦合力學(xué)研究彎管的結(jié)構(gòu)場與流場變形的相互作用，最后研究導(dǎo)流器錯位式排布方案的最佳間距，得到當(dāng)選取方案三且間距均為70 mm時優(yōu)化效果最好。優(yōu)化后的彎管4最大應(yīng)力由178.12 MPa降低到92.4 MPa，降低了52%；優(yōu)化后的彎管12最大應(yīng)力由289.52 MPa降低到135.4 MPa，降低了57%，達到了優(yōu)化目的。改善了彎管在作業(yè)中出現(xiàn)大變形、裂縫、沖擊腐蝕等問題，確保了取排水機構(gòu)的正常作業(yè)，對城鎮(zhèn)排澇、救災(zāi)的有效進行提供保障。

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Optimization Analysis of 180°Articulated Elbow for a Certain Water Intake and Drainage Truck

ZHANG Liang1，OUYANG Lian'ge1，LIU Jinwu1，OUYANG Sha2

(1.College of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China; 2.Fujian Qiaolong Emergency Equipment Co., Longyan 364000, China)

In order to solve the problem of the deformation of the new articulated elbow, the elbow is modeled and the fluid-solid coupling analysis is conducted by using the ANSYS software, which shows that the middle of both sides of the original elbow is concave, the bend diameter increases, and the maximum stress exceeds the allowable stress. And a plan for the staggered arrangement of the deflectors is proposed. The results show that: when using the third scheme of staggered arrangement of deflectors, the optimal solution is obtained if the spacing of the deflector is setto70mm, the maximum stress of the optimized elbow 4 after the optimization is reduced by 52% from 178.12 MPa to 92.4 MPa; the maximum stress of the elbow 12 is reduced by 47%from 289.52 MPa to 135.4 MPa which achieves a better optimization effect, and provides a new solution for the design of the 180° elbow deflector.

articulated elbow；fluid-structure coupling analysis；structural strength

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.11.004

1006－0316 (2021) 11－0025－09

2021－01－04

應(yīng)急管理部科研計劃——復(fù)雜環(huán)境下消防應(yīng)急排供水成套裝備研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化（2019XFCX30）；應(yīng)急管理部科研計劃——森林消防加壓布管車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（ZK-HX200503）

張梁（1996－），男，福建廈門人，碩士，技術(shù)工程師，主要從事特種車輛及專用設(shè)備研究工作，E-mail：942154212@qq.com。