液罐車車體制動(dòng)工況下的仿真分析研究
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陳 哲，高建和
（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）
摘要：以某型罐車為數(shù)值模擬的研究對象，基于流固耦合理論，運(yùn)用Fluent及Static Structural對其緊急制動(dòng)工況下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)參考，同時(shí)也完善國標(biāo)中關(guān)于罐車設(shè)計(jì)載荷的評定規(guī)范。
關(guān)鍵詞：液罐車；流固耦合；Fluent；緊急制動(dòng)；仿真中圖分類號：TP391.7
0 引言
雖然罐車的發(fā)展得到了國家政策上的支持，罐車的質(zhì)量得到了強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證制度的保證，但總體上來講，我國罐車技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比還處于較低水平，多年來，罐車中的關(guān)鍵技術(shù)沒有得到根本突破，如材料、結(jié)構(gòu)、工藝、技術(shù)含量、耐久性、舒適性乃至安全性等方面。因此，提升技術(shù)是發(fā)展罐車的根本所在。
我國大多數(shù)罐車的設(shè)計(jì)來源于抄襲、模仿，少數(shù)高端罐車通過技術(shù)引進(jìn)或參照國外產(chǎn)品做適當(dāng)“國產(chǎn)化”而成，缺乏開發(fā)新產(chǎn)品的自研能力。所以，提高罐車的設(shè)計(jì)、制造水平是有效提升產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)有效途徑。針對此，本文以某型罐車為研究對象，對其緊急制動(dòng)工況下的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)人員提供參考。
1 某型罐車有限元模型的建立
1.1 模型的簡化
在建立有限元分析模型時(shí)，忽略焊縫對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，由此，將罐體內(nèi)由焊接工藝連在一起的各結(jié)構(gòu)件看成一個(gè)整體。為了簡化計(jì)算，建模過程中對于罐體中一些小型非承載件予以省略�；谝陨虾喕瓌t，罐體模型由7塊防浪板、前后封頭及簡體構(gòu)成，防浪板將簡體分成8個(gè)艙室，且各艙室容積均不等�？紤]到各結(jié)構(gòu)部件厚度較罐體長度要小得多，所以在workbench geometry里面將模型抽取中面，得到由面組成的面體罐車，以減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量。罐車支撐件如梁、加強(qiáng)筋等部件也全部抽取中面，選取mesh200面單元。
1.2 網(wǎng)格劃分
將geometry簡化好的罐體模型導(dǎo)入到ICEMCFD中完成模型的幾何修復(fù)、流體域創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分，如圖1所示。其中，左半部分為罐體網(wǎng)格，右半部分為流體域及罐體兩部分網(wǎng)格，所選單元為六面體。
1.3材料參數(shù)
本文所涉及到的材料分為固體金屬和流體兩大類，罐車簡體材料為5182 H111鋁合金，封頭及防浪板為5083鋁合金，車架部分材料為Q345鋼，流體域材料為液化天然氣和空氣。金屬材料及流體材料的參數(shù)分別如表1、表2所示。
1.4 制動(dòng)工況
根據(jù)罐車工作要求可知，制動(dòng)工況下罐車的行駛速度為50 km/h(13. 89 m/s)，最小制動(dòng)距離為19 m。制動(dòng)減速度計(jì)算公式為：
其中：v0為制動(dòng)開始時(shí)的初始速度；v1為制動(dòng)結(jié)束后的速度；s為制動(dòng)距離。將數(shù)值代人式(1)得制動(dòng)減速度為5. 08m／s2。制動(dòng)距離計(jì)算公式為：
由式(2)可求得從開始制動(dòng)到停止的時(shí)間為2.73 s。
考慮到罐車停止后罐內(nèi)液體還在繼續(xù)晃動(dòng)，故而選取仿真時(shí)間為3s。同時(shí)，為了方便計(jì)算時(shí)間步的定義及后處理，加速度取5 m／s2，行駛速度取15 m/s。
2流體域計(jì)算
考慮到實(shí)際使用情況，本文研究對象為額定充裝率75%以下的液罐車，罐體內(nèi)部上半部分為氣體（空氣）；下半部分為液體（液化天然氣），該區(qū)域下的體積分?jǐn)?shù)是通過在workbench geometry中確定液面與簡體的交界線來得到的。在Fluent中進(jìn)行流體域分析，具體設(shè)置步驟如下：
(1)分析設(shè)置為瞬態(tài)分析類型，定義重力加速度方向。
(2)模型設(shè)置為多相流VOF模型，湍流模型設(shè)置 為可實(shí)現(xiàn)的k-e模型。
(3)(4定義流體域(空氣、液化天然氣)介質(zhì)參數(shù)。
(4)定義邊界條件，并添加罐體運(yùn)動(dòng)函數(shù)( UDF)。
(5)定義計(jì)算時(shí)間步及后處理所需監(jiān)測圖，即可 開始計(jì)算。
經(jīng)過6 000步的迭代計(jì)算后，計(jì)算收斂。提取出整個(gè)晃動(dòng)過程中液體對罐車各結(jié)構(gòu)部分的作用力大小，并繪制成曲線圖。液體晃動(dòng)過程中承受力較大的兩個(gè)部分是前封頭和簡體，其受力變化曲線如圖2、圖3所示。圖2中為了較好地表征其他時(shí)刻點(diǎn)前封頭的受力情況，因此未顯示0.03 s時(shí)刻受力的數(shù)值，其實(shí)際受力為1 209 k N。
從圖2、圖3中可以看出，罐車在制動(dòng)過程中于0.03 s時(shí)刻點(diǎn)承受最大的液體動(dòng)壓力，提取出該時(shí)刻一點(diǎn)液體的氣液分布云圖及速度分布云圖，如圖4、圖5所示。
在晃動(dòng)過程中，0.03 s時(shí)刻作用力最大，故而選取該時(shí)刻點(diǎn)的數(shù)值導(dǎo)人結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行流固耦合分析。
3結(jié)構(gòu)計(jì)算
通過將Fluent計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入到workbench中的static structural模塊，從而完成單向流固耦合的數(shù)據(jù)傳遞。結(jié)構(gòu)分析中，將Fluent計(jì)算的結(jié)果作為輸入力加載到罐體結(jié)構(gòu)當(dāng)中，然后定義罐車車架約束端、罐體自重及時(shí)間步長。
將0.03 s時(shí)刻流體域產(chǎn)生的動(dòng)壓力加載到罐體中，其受力如圖6所示。
考慮到簡體和罐體與其他結(jié)構(gòu)材料成分不同，須單03分析應(yīng)力。經(jīng)過計(jì)算，簡體和封頭及防浪板在0. 03 s時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示，罐體0.03 s時(shí)刻的變形云圖如圖9所示。
從圖7～圖9可以看出，在0.003 s時(shí)刻點(diǎn)，罐車簡體所受最大應(yīng)力為200. 13 M Pa；封頭及防浪板所受最大應(yīng)力為288. 63 M Pa；最大形變位置發(fā)生在封頭處，大小為53. 077 mm。
4結(jié)果分析
從結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果中可以看出，最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在第一塊前端防浪板與簡體裝配處，因此該處必須設(shè)置加強(qiáng)筋，以避免裝配區(qū)域出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域而導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生破壞。經(jīng)分析計(jì)算可知，防浪板壁面最大應(yīng)力值為105 M Pa左右，簡體壁面最大應(yīng)力值為128 M Pa左右，均小于對應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，故而可認(rèn)為簡體可避免和防浪板壁面在緊急制動(dòng)工況下發(fā)生破壞。
