危化品運輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動的流固耦合分析

關鍵詞：危化品運輸車：罐體：防波板：流固耦合

0引言

在罐車運輸過程中，由于罐車經(jīng)歷加速、勻速、減速、轉(zhuǎn)彎、緊急制動以及顛簸路面等極限工況的頻繁變化，罐內(nèi)危化品液體會產(chǎn)生連續(xù)的晃動與振動沖擊，這些晃動與沖擊不僅嚴重影響罐車的行駛穩(wěn)定性、制動性，還對其安全性造成嚴重威脅。根據(jù)《TSG特種設備安全技術規(guī)范》的相關規(guī)定，液罐車罐體內(nèi)部需安裝防波板，且每塊防波板有效面積應大于液罐車罐體橫截面積的40%。

王建業(yè)通過深入分析罐式危險品半掛車車架的結(jié)構(gòu)選擇、受力情況及其使用材料，確定了危險品半掛車車架的最佳設計形式。王國慶等人探究對比了運輸車罐體不安裝防波板與安裝不同型式防波板的液體防晃效果，發(fā)現(xiàn)曲面防波板的變形值小于直面防波板變形值。王云鵬等人則探究了不同充液率對罐體防波板的沖擊晃動影響，并得出了緊急制動工況下罐內(nèi)氣液兩相分布圖和流體最大壓力值曲線。

基于上述研究背景，本文進一步深入探討了危化品運輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動的流固耦合過程。通過詳細分析罐內(nèi)液體沖擊晃動的氣一液兩相分布、液體對防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy以及罐體整體的等效應力和變形形變，旨在為罐車的設計、安全評估和運營提供更為全面和深入的理論支持。

1模型建立與參數(shù)設置

1.1罐體仿真模型建立

圖1展示了使用SOLID＼NORKS 2024軟件建立的罐體簡化三維模型。從圖中可以看出，罐體主要由前封蓋、防波板、簡體及后封蓋4個部分組成。在罐體內(nèi)部，安裝了8塊橫向防波板，這些防波板將罐體均勻地分隔成了9個容積相等的艙室。罐體整體采用的材料為碳素鋼Q235，其具體的材料屬性包括：密度為7850kg/m3，彈性模量為2.06x105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為2.35x102MPa，抗拉強度3.75x102MPa。此外，運輸車罐體整體長度為12000mm，罐體本身的厚度和防波板的厚度均為10mm。

1.2模型邊界條件設置

圖2展示了罐體的有限元網(wǎng)格模型及求解過程。在Fluent2023 R1軟件中，我們導入了三維模型，并設置了模型邊界條件，以建立系統(tǒng)耦合模型。接著，進行了網(wǎng)格劃分與仿真求解。坐標原點位于運輸車罐體中心，其中X軸正方向與地面平行且指向右側(cè)，Y正方向與地面平行且指向運輸車罐體的前進方向，Z軸正方向與地面垂直且指向上方。

對于罐體內(nèi)部的裝載介質(zhì)，我們設定為汽油，其密度為746kg/m3，黏度為0.567mPa·s。罐體內(nèi)的液面高度設置為1.6m。此外，為了模擬實際運行中的工況，我們設定了以下加速度參數(shù)：運輸車罐體轉(zhuǎn)向離心加速度為0.98m/s2，制動加速度為7.84m/s2，以及垂直方向沖擊加速度19.6m/s2。為了全面分析運輸車在不同時刻液體晃動沖擊的狀況，我們將總時間設定為2s，并在此時間范圍內(nèi)對氣一液兩相分布、產(chǎn)生的側(cè)向力、罐體整體的等效應力及形變進行了詳細的分析。

2罐內(nèi)液體晃動過程仿真分析

2.1罐內(nèi)液體不同時刻氣一液兩相分布

圖3展示了罐內(nèi)液體不同時刻氣一液兩相分布圖。從圖中可以看出，在初始時刻，罐內(nèi)液體處于水平位置，這是由于液體與運輸車罐體具有相同的初始速度，因此二者保持相對靜止狀態(tài)。當時間達到0.1s時，罐內(nèi)液體開始逐漸向前封蓋方向移動。這是因為當運輸車罐體受到制動加速度作用時，液體由于慣性作用，與罐體之間產(chǎn)生了相對速度差，導致液體向前移動。

在0.1～0.475s時間段內(nèi)，罐內(nèi)液體持續(xù)沖擊前封蓋的曲面部分。在這一過程中，罐體內(nèi)各個艙室的右側(cè)液面持續(xù)升高，而左側(cè)液面則持續(xù)降低。當時間超過0.475s后，罐內(nèi)液體開始朝后封蓋方向移動。這是由于罐體內(nèi)壁的反作用力和重力的共同作用，使得液體開始回流。

在0.475～0.9s時間段內(nèi)，罐內(nèi)液體完成了第1次回流過程。在這個過程中，罐體內(nèi)各個艙室的左側(cè)液面逐漸升高，而右側(cè)液面則逐漸降低。當時間超過0.9s以后，罐內(nèi)液體再次逐漸向前封蓋方向移動，重復上述的周期性過程。在罐內(nèi)液體自身重力、罐壁反作用力與表面張力共同作用下，罐內(nèi)液體的晃動呈現(xiàn)出衰減趨勢。隨著時間的推移，晃動的幅度逐漸減小，最終罐內(nèi)液體將再次回落到水平位置。

2.2罐內(nèi)液體不同時刻沖擊晃動產(chǎn)生的側(cè)向力

圖4顯示了罐內(nèi)液體在不同時刻沖擊晃動產(chǎn)生的側(cè)向力（Fy）。從圖中可以觀察到，在0.1s內(nèi)，罐內(nèi)液體對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy先迅速增大后減小。液體對每塊防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy峰值并不同，其中對防波板6產(chǎn)生的側(cè)向力Fy最大，在0.075s時達到10910.42N。

在0.825s時，罐內(nèi)液體對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第1次達到峰值。此時，對防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy最大，達到6901.84 N；對防波板3產(chǎn)生的側(cè)向力Fy最小，為5877.77 No

當時間到達1.65s時，罐內(nèi)液體對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第2次達到峰值。值得注意的是，液體晃動第2次對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy均小于第1次產(chǎn)生的側(cè)向力。

整體來看，罐內(nèi)液體對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy呈現(xiàn)周期性衰減變化。隨著液體晃動的衰減，最終罐內(nèi)液體將處于水平位置，此時對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy將趨于同一穩(wěn)定值。

2.3罐體整體不同時刻等效應力及形變分析

由上文結(jié)果分析可知，在0.9s內(nèi)罐內(nèi)液體完成了第1次沖擊回流，并且液體第1次沖擊晃動產(chǎn)生的側(cè)向力最大。因此，我們主要關注0.9s內(nèi)罐體整體的等效應力變化。

圖5展示了罐體整體截面不同時刻等效應力云圖。由圖中可以看出，罐體整體的等效應力最大值在0.025s時為55.895MPa，隨后在0.1s時迅速增大到115.12MPa。接著，罐體的等效應力最大值在0.2s時減小至108.81MPa。

在0.2～0.9s的時間段內(nèi)，罐體整體的等效應力最大值呈現(xiàn)出先緩慢增大后緩慢減小的變化趨勢。具體來說，罐體整體的等效應力值在0.4s時達到最大值，為112.06MPa;而在0.8s時達到最小值，為106.04MPa。

由于罐體整體材料為碳素鋼Q235，其屈服強度為235MPa。在仿真分析的范圍內(nèi)，罐體整體的等效應力最大值為115.12MPa，這個值小于碳素鋼的屈服強度。因此，可以判斷該罐體整體的結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求。

圖6展示了罐體整體截面在不同時刻的形變云圖。從圖中可以看出，罐體整體的形變最大值在0.1s內(nèi)處于波動狀態(tài)，并且在0.05s時達到最大值1.5223mm。隨后，在0.1～0.9s的時間段內(nèi)，罐體整體的形變最大值表現(xiàn)出先緩慢減小后緩慢增大的趨勢，且罐體整體的形變值在0.4s時達到最小，為1.1378mm；罐體整體的形變值在0.9s時達到1.2755mm。考慮到罐體厚度為10mm，防波板厚度同樣為10mm，當前觀測到的形變值遠低于這些結(jié)構(gòu)部件的厚度，因此可以判斷該罐體產(chǎn)生的形變滿足使用要求。

此外，從形變云圖中還可以觀察到，罐體整體的等效應力和形變局部最大值均出現(xiàn)在特定位置，包括前封蓋與簡體的焊接處、防波板與簡體的焊接處、防波板流通孔邊緣。這些區(qū)域由于結(jié)構(gòu)上的特點或液體沖擊的集中作用，容易出現(xiàn)較大的應力和變形。

3結(jié)論

在受到制動激勵作用后，罐內(nèi)液體持續(xù)沖擊前封蓋曲面。由于罐體內(nèi)壁的反作用力以及重力的共同作用，罐內(nèi)液體產(chǎn)生回流。這一周期性過程不斷重復，但罐內(nèi)液體晃動逐漸呈現(xiàn)出衰減趨勢，最終液體在罐內(nèi)達到水平穩(wěn)定位置。

罐內(nèi)液體對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy表現(xiàn)出先迅速增大后減小的特點，且不同防波板收到的側(cè)向力Fy峰值不同。具體來說，離前封蓋越近的防波板（如防波板1）受到的側(cè)向力Fy峰值最大。分析結(jié)果顯示，罐體整體的形變最大值為1.5223mm，而罐體整體的等效應力最大值為115.12MPa，其值小于碳素鋼Q235的屈服強度（235MPa）．因此可以判斷該罐體整體結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，罐體整體的等效應力和形變局部最大值均出現(xiàn)在前封蓋與簡體的焊接處、防波板與簡體的焊接處、防波板流通孔邊緣。針對這些位置，建議采取增強焊接增措施，以應對罐體內(nèi)液體沖擊產(chǎn)生的局部最大等效應力與形變，從而確保罐體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。