運輸車罐體內不同液體介質沖擊晃動的耦合分析

關鍵詞：運輸車；罐體；防波板；不同液體介質

0引言

在“十四五”時期，我國對液體能源的需求愈發旺盛，這種需求的擴大推動了運輸行業的發展，加之政策的鼓勵與支持，我國油罐車的年產量和保有量逐年攀升。罐車在執行運輸作業時，裝載的流體介質通常在幾噸到幾十噸之間。當罐車進行急加速、急減速或轉彎等操作時，罐內流體的晃動會導致油液重心位置不斷變化，從而影響罐車的行駛穩定性和運行安全性。

相關數據表明，在危化品事故中，危化品運輸事故占總事故的45%以上。而在運輸事故中，危化品公路運輸事故占事故總數的50%，其中人為因素導致的事故占48.5%，車輛本身缺陷導致的事故占28.5%，運輸中物品包裝和裝卸問題導致的事故占19.7%，公路運輸路況與環境因素導致的事故占3.4%。對造成上述事故的原因進行分析可知，非滿載貯箱內的液體晃動是造成這些事故的主要原因之一。對于罐車設計而言，由于其體積較大、造價昂貴且試驗條件苛刻，通過傳統手段很難驗證所設計罐體結構的合理性。而通過運用有限元方法，可以顯著縮短研發周期，降低研發成本，并清晰地觀測到液體的運動狀態，這為液罐車的發展提供了極大的助力。罐體作為罐車的主要部件之一，是移動的液體容器，直接承受著不同工況下液體對其造成的沖擊載荷。因此，研究運輸車罐體內不同液體介質沖擊晃動的耦合分析具有重要的理論價值和現實意義。

1模型建立與參數設置

1.1仿真模型基本參數

運輸車罐體由前封頭、筒體、8個防波板及后封頭4個部分組成。其中，8個厚度為5mm的防波板均勻安裝在罐體內部，將罐體分隔成容積相等的9個艙室，且各個艙室區域之間相通。罐體的總長度約為12m，橫截面直徑約為2.2m，罐體壁厚為6mm。坐標系固定于罐體上，坐標原點位于運輸車罐體的中心位置。X軸正方向平行于地面且向右，Y軸正方向平行于地面且指向罐體的前進方向，Z軸正方向垂直地面且豎直向上。罐體的主要材料成分是碳素鋼Q235，其屈服強度與抗拉強度分別為2.35×102MPa及3.75×102MPa，泊松比為0.3，密度與彈性模量分別為7850kg/m3和2.06×105MPa[1]。

1.2模型邊界條件設置

將SOLIDWORKS建立的三維模型導入Workbench2023R1中，進行網格劃分、邊界條件設置與仿真分析。為了提高仿真計算效率，罐體上網格過渡部分保證平滑。罐體及所有防波板表面設置為無滑移壁面邊界條件。裝載介質分別為：（1）水，其密度為1000kg/m3，粘度為1.0mPa·s；（2）柴油，其密度為850kg/m3，粘度為2.59mPa·s；（3）汽油，其密度為746kg/m3，粘度為0.567mPa·s。氣體壓強為1.013×105Pa，初始時液體與氣體區域相當于運輸罐車速度為0，且初始液氣界面平行于YZ平面。圖1展示了罐體有限元網格模型及求解過程。根據《IMDGCode國際海運危險貨物規則》[2]，貨物對防波板的軸向沖擊力為2倍的重力加速度，因此運輸罐車在垂直方向的沖擊加速度設置為19.6m/s2；轉向離心加速度為0.1倍的重力加速度，即0.98m/s2。

按照GB/T19905—2017《液化氣體汽車罐車》對液罐車制動穩定性的要求[3]，當初始速度為30km/h時制動距離應小于10m，由此計算出的制動加速度約為3.47m/s2。但在緊急制動情況下，罐車的加速度將更大，甚至可能達到重力加速度。因此，在模擬計算時，將運輸罐車的制動加速度設定為0.8倍的重力加速度（0.8g）。根據罐體容積-液位方程可知[4]，當罐體內部的液位高度為2m時，罐車的充裝率為0.93。為避免罐車充裝率為0.5時沖擊晃動影響最大的情況，本文設置罐體內液面高度為1.70m，并以總時間2s對運輸車在不同制動加速度下的液體晃動沖擊狀況進行分析。

2運輸罐車液體晃動流固耦合結果分析

2.1罐體內液-氣兩相分布圖

圖2展示了罐內液體介質為水時不同時刻的氣-液兩相分布圖。由圖2（a）可知，在時間為0.025s時，罐內液體基本處于水平位置，呈現出顯著的“空氣-水”耦合界面。這是因為在極短的時間內，液體與運輸車罐體具有相同速度，二者相對靜止。由圖2（b）可知，在時間為0.1s時，罐內水開始沿著防波板的曲面向上運動。這是因為運輸車罐體受到制動加速度作用后，水由于慣性作用與罐體產生相對速度差，從而形成相對動壓。根據圖2（c-f）可知，在0.1～0.4s的時間范圍內，罐內水沿著防波板曲面向上運動的高度不斷增大，罐體內各個艙室的右側液面持續升高，并首次沖擊前封頭曲面。由圖2（g）可知，在時間為0.5s時，罐內水沿著防波板曲面向上運動的高度稍微降低，表明水受到罐體內壁的反作用力以及重力的共同影響，開始向后封頭方向移動。根據圖2（h-j）可知，在0.6～0.8s的時間范圍內，罐體內各個艙室的右側液面不斷降低，而左側液面上升，表明水開始第一次回流，并持續沖擊后封頭曲面。由圖2（k-l）可知，在時間為0.9s以后，罐內水再次開始沿著防波板曲面向上運動，此時液體處于自由晃動階段，并重復以上周期性過程。在罐內水的自身重力、罐壁反作用力與表面張力的共同作用下，液體的自由晃動呈現出衰減趨勢，并最終處于水平位置。

2.2罐體及防波板的壓力分析

圖3展示了運輸車在不同液體介質（水、柴油、汽油）下罐體表面的壓力云圖，圖4則展示了相應條件下防波板1的壓力云圖。由圖3與圖4可知，在時間為0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質對罐體表面形成的壓力最大值分別為3.487e+04Pa、3.330e+04Pa與3.424e+04Pa；而在0.5s時，3種液體介質對罐體表面形成的壓力最大值均減小，分別為3.448e+04Pa、3.289e+04Pa與3.373e+04Pa。這主要是因為，在時間為0.5s時，液體對前封頭的第1次沖擊已經結束，并在重力和壁面反作用力的共同影響下，液體開始朝反方向回流，因此對罐體表面形成的壓力值略有降低。此外，在0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質對防波板1表面形成的最大壓力值分別為2.598e+04Pa、2.411e+04Pa與2.491e+04Pa；而在0.5s時，3種液體介質對防波板1表面形成的壓力最大值均減小，分別為2.557e+04Pa、2.389e+04Pa與2.444e+04Pa。

因此，在運輸車罐內液面高度、防波板數量與結構、轉向離心加速度及制動加速度等因素恒定不變的情況下，裝載不同危化品液體介質時，液體沖擊晃動對罐體與防波板1表面形成的壓力值不同。并且，在模擬范圍內，水晃動對罐體與防波板1表面產生的壓力數值最大，而柴油晃動對罐體與防波板1表面產生的壓力數值最小。此外，還可以觀察到，3種不同液體介質對防波板1表面產生的最大壓力值均出現在防波板1底部的半圓孔邊緣。

圖5展示了時間為0.4s時水沖擊不同防波板的壓力云圖。如圖5（a-d）所示，距離前封頭最近的防波板1受到水沖擊晃動形成的表面壓力最大，為2.594e+04Pa；而遠離前封頭的防波板2、防波板3及防波板4，受到水沖擊晃動形成的表面壓力數值分別為1.801e+04Pa、1.018e+04Pa與2.207e+03Pa。因此，可以得出結論：越靠近罐體前封頭的防波板，受到水沖擊晃動形成的表面壓力越大。如圖5（e-h）所示，防波板5受到水沖擊晃動形成的表面壓力變為負值，具體大小為-5.702e+03Pa；而靠近后封頭的防波板6、防波板7及防波板8，受到水沖擊晃動形成的表面負壓數值分別為-1.362e+04Pa、-2.149e+04Pa與-2.942e+04Pa。因此，另一個結論是：越靠近罐體后封頭的防波板，受到水沖擊晃動形成的表面負壓越大。

根據伯努利原理，流體總壓等于靜壓與動壓之和。當液體發生晃動時，其流動速度會發生變化，即動壓會隨之改變。在運輸車制動過程中，液體在慣性作用下移動，導致動壓增大。為了保持總壓不變，靜壓必須相應減小。當靜壓減小到負值時，就形成了負壓區域。綜上所述，罐體內封閉容器中的液體在受到運輸車制動激勵后，其動能會部分轉換為壓力能，即形成負壓。

2.3罐體及防波板的應力強度

圖6展示了運輸車裝載不同液體介質（水、柴油、汽油）時罐體的應力強度云圖，而圖7則展示了相同條件下防波板1的應力強度云圖。由圖6與圖7可知，在時間為0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質對罐體的應力強度最大值分別為139.18MPa、118.5MPa與113.89MPa；而當時間為0.5s時，這3種液體介質對罐體的應力強度最大值均有所減小，具體數值分別為138.26MPa、117.5MPa與113.07MPa。因此，在運輸車罐內液面高度、防波板數量與結構、轉向離心加速度及制動加速度等條件恒定不變的情況下，裝載的危化品液體介質類型不同，會導致液體沖擊晃動對罐體的應力強度最大值存在差異。并且，在模擬范圍內，水晃動對罐體的應力強度數值最大。此外，還可以看出，3種不同液體介質對罐體的應力強度最大值均出現在防波板1的圓形開孔邊緣。因此，建議對防浪板圓形開孔處進行局部補強，例如設置交叉布置的加強圈及筋板，以確保罐體及防波板的強度滿足要求。

2.4罐體及防波板的定向變形

圖8展示了運輸車裝載不同液體介質（水、柴油、汽油）時罐體的定向變形（X軸方向）云圖，而圖9則展示了相同條件下防波板1的定向變形（X軸方向）云圖。由圖8與圖9可知，在時間為0.4s時，水、柴油及汽油3種液體介質對罐體的定向變形（X軸方向）最大值分別為0.29082mm、0.35949mm及0.36381mm；而在時間為0.5s時，3種液體介質對罐體的定向變形（X軸方向）最大值均有所減小，分別為0.28957mm、0.35862mm及0.36362mm。因此，在運輸車罐內液面高度、防波板數量與結構、轉向離心加速度及制動加速度等因素恒定不變的情況下，裝載的危化品液體介質類型不同，會導致液體沖擊晃動對罐體的定向變形（X軸方向）最大值存在差異。并且，汽油晃動對罐體的定向變形（X軸方向）數值最大，而水晃動對罐體的定向變形（X軸方向）數值最小。此外，還可以觀察到，3種不同液體介質對罐體的定向變形（X軸方向）最大值均出現在防波板1的圓形開孔邊緣。結合前文信息，我們知道運輸車罐體（防波板、筒體及封頭）的材料均為碳素鋼Q235，其屈服強度（235MPa）大于水第1次沖擊晃動對罐體產生的應力強度峰值（139.18MPa）。同時，防波板的厚度均為5mm，而汽油沖擊對罐體的定向變形（X軸方向）最大值為0.36381mm，這表明罐體結構強度滿足使用要求。

3結論

罐內液體介質的改變并不會影響罐內液體在不同時刻的氣-液兩相分布圖，這些分布圖均呈現出顯著的“空氣-水”耦合界面。但是裝載的液體介質類型不同，液體沖擊晃動對罐體與防波板1表面形成的壓力值也會有所不同，3種不同液體介質對防波板1表面產生的壓力最大值均出現在防波板1底部的半圓孔邊緣。此外，改變裝載的液體介質，液體沖擊晃動對罐體的應力強度與定向變形的最大值也會有所區別。具體而言，水晃動對罐體的應力強度數值最大，而汽油晃動對罐體的定向變形數值最大。值得注意的是，這3種不同液體介質對罐體的應力強度與定向變形的最大值均出現在防波板1的圓形開孔邊緣。因此，為了增強罐體及防波板的強度，建議對防浪板圓形開孔處進行局部補強，例如設置交叉布置的加強圈及筋板，以保證罐體防波板的強度。