關(guān)鍵詞：?；愤\(yùn)輸車：罐體：防波板：流固耦合

0引言

在罐車運(yùn)輸過程中，由于罐車經(jīng)歷加速、勻速、減速、轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)以及顛簸路面等極限工況的頻繁變化，罐內(nèi)?；芬后w會產(chǎn)生連續(xù)的晃動(dòng)與振動(dòng)沖擊，這些晃動(dòng)與沖擊不僅嚴(yán)重影響罐車的行駛穩(wěn)定性、制動(dòng)性，還對其安全性造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)《TSG特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)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(yīng)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(xiǎn)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(xiǎn)品半掛車車架的最佳設(shè)計(jì)形式。王國慶等人探究對比了運(yùn)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(dòng)影響，并得出了緊急制動(dòng)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(jìn)一步深入探討了?；愤\(yùn)輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)的流固耦合過程。通過詳細(xì)分析罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)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(yīng)力和變形形變，旨在為罐車的設(shè)計(jì)、安全評估和運(yùn)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(shè)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(gè)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(gè)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(qiáng)度為2.35x102MPa，抗拉強(qiáng)度3.75x102MPa。此外，運(yùn)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(shè)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(dǎo)入了三維模型，并設(shè)置了模型邊界條件，以建立系統(tǒng)耦合模型。接著，進(jìn)行了網(wǎng)格劃分與仿真求解。坐標(biāo)原點(diǎn)位于運(yùn)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(yùn)輸車罐體的前進(jìn)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(shè)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(shè)置為1.6m。此外，為了模擬實(shí)際運(yùn)行中的工況，我們設(shè)定了以下加速度參數(shù)：運(yùn)輸車罐體轉(zhuǎn)向離心加速度為0.98m/s2，制動(dòng)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(yùn)輸車在不同時(shí)刻液體晃動(dòng)沖擊的狀況，我們將總時(shí)間設(shè)定為2s，并在此時(shí)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(yīng)力及形變進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2罐內(nèi)液體晃動(dòng)過程仿真分析

2.1罐內(nèi)液體不同時(shí)刻氣一液兩相分布

圖3展示了罐內(nèi)液體不同時(shí)刻氣一液兩相分布圖。從圖中可以看出，在初始時(shí)刻，罐內(nèi)液體處于水平位置，這是由于液體與運(yùn)輸車罐體具有相同的初始速度，因此二者保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)時(shí)間達(dá)到0.1s時(shí)，罐內(nèi)液體開始逐漸向前封蓋方向移動(dòng)。這是因?yàn)楫?dāng)運(yùn)輸車罐體受到制動(dòng)加速度作用時(shí)，液體由于慣性作用，與罐體之間產(chǎn)生了相對速度差，導(dǎo)致液體向前移動(dòng)。

在0.1～0.475s時(shí)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(gè)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(dāng)時(shí)間超過0.475s后，罐內(nèi)液體開始朝后封蓋方向移動(dòng)。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(shí)間段內(nèi)，罐內(nèi)液體完成了第1次回流過程。在這個(gè)過程中，罐體內(nèi)各個(gè)艙室的左側(cè)液面逐漸升高，而右側(cè)液面則逐漸降低。當(dāng)時(shí)間超過0.9s以后，罐內(nèi)液體再次逐漸向前封蓋方向移動(dòng)，重復(fù)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(dòng)呈現(xiàn)出衰減趨勢。隨著時(shí)間的推移，晃動(dòng)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(shí)刻沖擊晃動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向力

圖4顯示了罐內(nèi)液體在不同時(shí)刻沖擊晃動(dòng)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(shí)達(dá)到10910.42N。

在0.825s時(shí)，罐內(nèi)液體對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第1次達(dá)到峰值。此時(shí)，對防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy最大，達(dá)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(dāng)時(shí)間到達(dá)1.65s時(shí)，罐內(nèi)液體對所有防波板產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第2次達(dá)到峰值。值得注意的是，液體晃動(dòng)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(dòng)的衰減，最終罐內(nèi)液體將處于水平位置，此時(shí)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(shí)刻等效應(yīng)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(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向力最大。因此，我們主要關(guān)注0.9s內(nèi)罐體整體的等效應(yīng)力變化。

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

在0.2～0.9s的時(shí)間段內(nèi)，罐體整體的等效應(yīng)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(yīng)力值在0.4s時(shí)達(dá)到最大值，為112.06MPa;而在0.8s時(shí)達(dá)到最小值，為106.04MPa。

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

圖6展示了罐體整體截面在不同時(shí)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(dòng)狀態(tài)，并且在0.05s時(shí)達(dá)到最大值1.5223mm。隨后，在0.1～0.9s的時(shí)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(shí)達(dá)到最小，為1.1378mm；罐體整體的形變值在0.9s時(shí)達(dá)到1.2755mm?？紤]到罐體厚度為10mm，防波板厚度同樣為10mm，當(dāng)前觀測到的形變值遠(yuǎn)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(yīng)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(diǎn)或液體沖擊的集中作用，容易出現(xiàn)較大的應(yīng)力和變形。

3結(jié)論

在受到制動(dòng)激勵(lì)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(fù)，但罐內(nèi)液體晃動(dòng)逐漸呈現(xiàn)出衰減趨勢，最終液體在罐內(nèi)達(dá)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(diǎn)，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(yīng)力最大值為115.12MPa，其值小于碳素鋼Q235的屈服強(qiáng)度（235MPa）．因此可以判斷該罐體整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，罐體整體的等效應(yīng)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(qiáng)焊接增措施，以應(yīng)對罐體內(nèi)液體沖擊產(chǎn)生的局部最大等效應(yīng)力與形變，從而確保罐體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。