摘""要""低溫罐箱在運輸過程中受各種路況影響易產(chǎn)生罐內(nèi)介質(zhì)晃蕩，因晃蕩產(chǎn)生的動載荷是低溫罐箱強(qiáng)度分析的主要載荷之一。為進(jìn)一步對優(yōu)化后的低溫罐箱進(jìn)行安全可靠性分析，考慮介質(zhì)晃動產(chǎn)生的最大沖擊力，提取產(chǎn)生最大沖擊力時的壁面壓力，采用單向流固耦合法對優(yōu)化后的低溫罐箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分析。流固耦合法計算出的最大應(yīng)力仍在固定端筒體，與靜力分析平均壓強(qiáng)法的計算結(jié)果一致，但內(nèi)筒體最大應(yīng)力值增加了18.4%，表明流固耦合法較靜力分析平均壓強(qiáng)法能更準(zhǔn)確地預(yù)測低溫罐箱的受力狀況。

關(guān)鍵詞""低溫罐箱 "流固耦合分析""應(yīng)力強(qiáng)度 "結(jié)構(gòu)優(yōu)化" " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406009

中圖分類號""TQ053.2""""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼 "A""""""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2024）06-0000-00

有限元分析方法是輔助設(shè)計和研究罐式集裝箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要方法。TIERNAN S和FAHY M采用有限元軟件建立了罐箱模型并對罐體及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)罐箱的危險截面位于裙座處，按照應(yīng)力分類的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力評定并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套高效且安全的罐式集裝箱設(shè)計方法[1]。LIU D M和LIN P Z采用動態(tài)模擬的方法利用有限元技術(shù)模擬了ISO沖擊試驗，并與實際試驗結(jié)果進(jìn)行對比，優(yōu)化了罐體薄弱部位，最終獲得了一個可以通過沖擊試驗的模型[2]。

流固耦合法也是計算罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要方法。孫麗娜分別采用流固耦合法和平均壓強(qiáng)法對罐箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計算，對比得知采用流固耦合法得到的支撐圈與封頭處強(qiáng)度不滿足要求，實際制動過程中介質(zhì)產(chǎn)生的沖擊壓力更大[3]。商繼東采用CFX法分別對罐箱進(jìn)行了單向和雙向流固耦合分析，通過分析得知，采用單向和雙向流固耦合計算得到的最大應(yīng)力點相同，最大應(yīng)力值差距不大且框架的受力在流固耦合過程中可以忽略[4]。劉雪梅采用CFD軟件分別對不同加速度、介質(zhì)、容積和裝載度下的罐箱進(jìn)行了液體晃動模擬，分析了這些參數(shù)與最大沖擊力的關(guān)系并擬合出了最大沖擊力計算公式，驗證結(jié)果表明公式計算值與實際模擬值的誤差在5%以內(nèi)，為罐箱的設(shè)計提供了重要參考意義[5]。劉剛總結(jié)了雙向流固耦合中流體對固體的作用規(guī)律以及在流固耦合作用下罐箱的宏觀動力學(xué)特性，即在減速初始階段，流體晃動對罐箱的作用最大；討論了防波板的數(shù)量和間距對罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，分析得知防波板數(shù)量越多，越能緩解應(yīng)力集中效應(yīng)[6]。岳文駿對20英尺罐箱進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，找到了在受力安全范圍內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，對比了新型罐箱與原罐箱液體晃動情況，并采用流固耦合法分別對新型罐箱在垂向載荷和縱向載荷作用下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，通過分析可知新型罐箱在縱向和垂向作用下都能安全運行，且新型罐箱容積增大11.8%，可為今后罐箱的優(yōu)化設(shè)計提供參考[7]。

近年來，我國對罐式集裝箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，主要采用平均壓強(qiáng)法和流固耦合法，根據(jù)前人的研究，前者在時間上更高效，但得到的結(jié)果相對保守，后者時間成本過高，不利于工程實踐應(yīng)用，但隨著罐箱標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，流固耦合法可以安全地作為罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算方法。文中筆者對低溫罐箱的液體晃動進(jìn)行模擬分析，針對液體晃動產(chǎn)生的沖擊力對低溫罐箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，采用流固耦合分析法，通過結(jié)構(gòu)場和流場的耦合，對低溫罐箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行優(yōu)化并做進(jìn)一步分析比較。

1 "模型處理與計算方法

1.1""模型的定義

低溫罐箱的基本設(shè)計參數(shù)見表1。

1.2""有限元模型建立

ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件分析流程如圖1所示。

1.3""幾何模型

低溫罐箱采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外筒體間采用真空處理，為真空狀態(tài)。左右兩端各4個環(huán)氧玻璃鋼置于套筒中形成夾層，研究表明[8～10]，上支撐與中心線呈45°、下支撐與中心線呈30°時為最佳安放角度。為釋放溫差應(yīng)力，環(huán)氧玻璃鋼支撐為一端固定、另一端滑動的方式。為減少計算量，忽略罐體上的管路系統(tǒng)、人孔等結(jié)構(gòu)部件。由于慣性力的不對稱性，采用全模型進(jìn)行計算。利用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件建立三維模型如圖2所示。

1.4""應(yīng)力強(qiáng)度分析

判斷低溫罐箱結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足強(qiáng)度要求的校核步驟為：根據(jù)有限元計算結(jié)果，找到最大應(yīng)力處的危險截面點；對危險截面點進(jìn)行線性化應(yīng)力分類處理，線性化路徑如圖3所示。對低溫罐箱整體結(jié)構(gòu)而言，在最大應(yīng)力點處沿厚度方向做出線性化路徑后即可進(jìn)行應(yīng)力分類。

依據(jù)JB"4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認(rèn)），壓力容器在運行過程中產(chǎn)生的應(yīng)力可分為一次應(yīng)力（包括總體薄膜應(yīng)力Pm、局部薄膜應(yīng)力PL、彎曲應(yīng)力Pb）、二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力F，應(yīng)力強(qiáng)度選用Tresca當(dāng)量應(yīng)力值，各類應(yīng)力強(qiáng)度需滿足以下條件：

a."一次局部薄膜應(yīng)力PL≤1.5K[s]tr（其中K為載荷組合系數(shù)，[s]tr為低溫罐箱在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力）；

b."一次+二次應(yīng)力PL+Pb+Q≤3.0K[s]tr。

當(dāng)最大應(yīng)力值smaxlt;1.5K[s]tr時，可以免除線性化分析，直接認(rèn)為強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由于筆者在分析載荷時未考慮風(fēng)載、地震等偶然載荷的影響，故K取1.0。

內(nèi)筒體材料為S30408，其在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力[s]tr=137"MPa；外筒體材料為Q345R，其在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力[s]tr=189"MPa；環(huán)氧玻璃鋼為塑性材料，其力學(xué)性能見表2。

由各工況應(yīng)力計算可以得到低溫罐箱各結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點位置和危險截面區(qū)域，進(jìn)而對各部位危險截面進(jìn)行線性化處理，按照J(rèn)B"4732—1995標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度予以評定，結(jié)果見表3。

2 "流固耦合方法

流固耦合是一種流體與固體相互作用的現(xiàn)象，廣泛出現(xiàn)在各個領(lǐng)域[11～13]。固體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能會隨著流體作用力的改變而發(fā)生變化，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)形變或運動作用會使得流場的分布和載荷產(chǎn)生改變。為了解決固體力學(xué)與流體力學(xué)坐標(biāo)系不匹配的問題，HIRT C W等提出了一種Arbitrary Lagrangian-Eulerian方法，該方法在進(jìn)行流固耦合計算時可使移動的邊界和耦合面有效結(jié)合起來[14，15]。流固耦合法能夠真實有效地模擬與固體之間的交互作用，但在使用過程中會消耗大量的時間用于計算。流固耦合一般可以劃分成單向和雙向流固耦合，在液體晃動模擬中兩種方法均得到了廣泛應(yīng)用。由于文中研究的罐內(nèi)流體流動對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響很大，而結(jié)構(gòu)的變形很小，對流場的作用可以忽略，故筆者采用單向流固耦合分析方法開展研究。

利用ANSYS Workbench平臺連接傳輸Fluent和Static Structural間的計算數(shù)據(jù)從而進(jìn)行流固耦合分析，流程如圖4所示。首先使用Fluent計算流體對罐體內(nèi)壁的作用力，再將此作用力施加到低溫罐箱內(nèi)部耦合面上，施加相應(yīng)的約束及載荷，從而研究低溫罐箱的力學(xué)性能。

3 "實際制動過程液體晃動模擬

低溫罐箱在制動過程中，隨著充液率的提高和制動加速度的增大，前封頭所受的沖擊力增大，罐內(nèi)所承受的壓強(qiáng)增大。由于低溫罐箱在運輸過程中，高速公路規(guī)定最低時速不超過60"km/h，為了探索在運輸過程中實際所受載荷的影響，設(shè)定充液率為0.9，制動加速度為-9.8"m/s2，初速度為16.66"m/s，制動時間為1.7"s，總時長為3"s，對低溫罐箱的液體晃動情況進(jìn)行模擬。

圖5所示為前封頭受力隨時間的變化情況。分析可知，在開始制動時，液體加速向前涌動，導(dǎo)致前封頭受到的沖擊力快速增大，并在短時間內(nèi)前封頭受到的沖擊力達(dá)到峰值。由于充液率較大，液體在沖擊前封頭時，受到阻力使得介質(zhì)向后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，對加強(qiáng)圈進(jìn)行沖擊，使得加強(qiáng)圈處受到的壓強(qiáng)增大。如圖6所示，前封頭在0.24"s時受到最大的沖擊載荷，此時前封頭的底部受到最大沖擊，最大壓強(qiáng)達(dá)78"kPa。

4 "流固耦合分析

4.1""防波板幾何模型及網(wǎng)格劃分

低溫罐箱多采用防波板限制液體晃動，根據(jù)相關(guān)研究，錐形方波板相較于平板形、橢圓形防波板對緩解介質(zhì)對前封頭的沖擊力更有效。為此本罐箱擬采用錐形防波板，其結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。按照《液化氣體汽車罐車安全監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定：防波板之間、防波板與封頭間液體體積小于7.5"m3，防波板的橫截面積不小于罐體橫截面積的40%，防波板之間間距最大為1"750"mm。按照規(guī)定，低溫罐箱設(shè)置4塊錐形防波板且間距為1"750"mm。選取solid185單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證在厚度方向上網(wǎng)格層數(shù)分布至少3層，選擇映射劃分和自由劃分結(jié)合的方式對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為587"443個。

4.2""邊界條件

為了使模擬和實際達(dá)到一致，需要依據(jù)實際情況對低溫罐箱施加約束，在罐箱底部4個角件端面下底面處施加Ux=Uy=Uz=0的全約束，在Static Structural中輸入由Fluent計算分析得到的在制動加速度作用液體晃動時產(chǎn)生的壓力，并在罐箱內(nèi)筒體的內(nèi)表面及防波板表面施加相應(yīng)的設(shè)計壓力p1=1.3"MPa，在外筒體內(nèi)表面及內(nèi)筒體外表面施加設(shè)計壓力p2=-0.1"MPa，環(huán)氧玻璃鋼與內(nèi)外容器采用frictional接觸模式，罐箱整體施加豎直向下一倍重力加速度，具體如圖8所示。

4.3""強(qiáng)度分析

對低溫罐箱內(nèi)筒體內(nèi)的流體與之進(jìn)行流固耦合，并對其整體應(yīng)力強(qiáng)度和總變形云圖進(jìn)行分析探討。

由圖9可知，流固耦合分析下的內(nèi)筒體最大應(yīng)力點出現(xiàn)在固定端支撐下部墊板與筒體連接處，這種現(xiàn)象是由于流體在制動加速度作用下，在撞擊前封頭后產(chǎn)生回流，回流的流體向八點支撐區(qū)域加強(qiáng)圈處涌動，導(dǎo)致八點支撐區(qū)域加強(qiáng)圈受到了沖擊。前封頭下端在制動加速度的作用下局部壓強(qiáng)增大，使得筒體有向前端位移的趨勢，而固定端支撐對內(nèi)筒體的變形起到了約束作用，故在內(nèi)筒體與墊板連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。外筒體最大應(yīng)力點出現(xiàn)在固定端八點支撐加強(qiáng)圈處，同樣是由于介質(zhì)的沖擊和固定端約束共同作用，導(dǎo)致外筒體八點支撐加強(qiáng)圈處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由表4可以看出，采用單向流固耦合計算方法對優(yōu)化后的低溫罐箱進(jìn)行應(yīng)力分析，各部位均滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。流固耦合法計算出的最大應(yīng)力點仍位于固定端筒體與墊板連接處，與靜力分析平均壓強(qiáng)法計算結(jié)果一致，但內(nèi)筒體最大應(yīng)力值增加了18.4%。內(nèi)筒體的加強(qiáng)圈和前封頭由于液體沖擊的影響，應(yīng)力水平均高于平均壓強(qiáng)法的計算值，表明流固耦合法較靜力分析平均壓強(qiáng)法能更準(zhǔn)確地預(yù)測低溫罐箱的受力狀況。

5 "結(jié)束語

筆者利用Fluent軟件對低溫罐箱實際制動過程進(jìn)行液體晃動模擬，采用流固耦合法對優(yōu)化后低溫罐箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行應(yīng)力計算，并對最大應(yīng)力點進(jìn)行了應(yīng)力分類與校核，結(jié)果表明：

a."低溫罐箱在0.9的充液率、-9.8"m/s2的加速度作用下，前封頭在0.24"s時受到的沖擊載荷最大，此時前封頭達(dá)到最大壓強(qiáng)78"kPa。

b."流固耦合分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)筒體最大應(yīng)力點出現(xiàn)在固定端下支撐墊板與筒體連接處，應(yīng)力強(qiáng)度為307.15"MPa；外筒體最大應(yīng)力點出現(xiàn)在固定端八點支撐補(bǔ)強(qiáng)圈處，應(yīng)力強(qiáng)度為253.29"MPa。經(jīng)過校核，低溫罐箱滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求，流固耦合分析法相比平均壓強(qiáng)法能更準(zhǔn)確地模擬實際工程情況的受力情況，因此模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，更具實際參考意義。

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（收稿日期：2023-12-17，修回日期：2024-11-15）

作者簡介：沈航宇（1998-），碩士研究生，從事化工過程機(jī)械方向的研究。

通訊作者：董金善（1964-），教授，從事化工過程機(jī)械方向的研究，djs@njtech.edu.cn。

引用本文：沈航宇，董金善，柏凱旋.針對低溫罐箱流固耦合分析的必要性分析[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.