基于流固耦合算法的罐車防波板的分析

周 斌 馬 力 張中正

（武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430070）

0 引言

罐車的防波板可以在其運(yùn)行時(shí)減弱罐體內(nèi)液體的沖擊和吸收液體的振動(dòng)能量，從而提高罐車的行駛穩(wěn)定性和安全性。故對(duì)防波板進(jìn)行強(qiáng)度校核和改進(jìn)設(shè)計(jì)是十分必要的。相對(duì)于只考慮流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算方法，流固耦合算法所得結(jié)果更加準(zhǔn)確。利用流固耦合效應(yīng)分析工程問題主要應(yīng)用于航空和船舶工業(yè)，在汽車工業(yè)上的應(yīng)用還不廣泛，對(duì)罐車進(jìn)行流固耦合計(jì)算的研究還很少。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院的周思達(dá)和劉莉在2010年6月闡述了運(yùn)載火箭貯箱流固耦合的常用分析方法。2010年8月，向韜[2]等在考慮流固耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)上運(yùn)用Adina對(duì)某油罐車進(jìn)行有限元分析，得到了罐車在幾種典型工況下的應(yīng)力分布及液面的分布情況。用流固耦合算法對(duì)防波板進(jìn)行分析目前尚處于空白。本文通過Ansys軟件模擬罐車制動(dòng)時(shí)罐體內(nèi)介質(zhì)的晃動(dòng)對(duì)兩阻尼孔防波板產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變，并對(duì)其強(qiáng)度行了校核。同時(shí)對(duì)比了防波板上阻尼孔的孔徑、孔位與孔數(shù)的不同對(duì)罐內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)及罐體所受應(yīng)力的影響，為防波板的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

1 兩阻尼孔防波板模型的建立

令罐車行駛的方向?yàn)閤正方向，由于罐體關(guān)于中軸對(duì)稱，為了減少計(jì)算量，只需在Ansys中建立介質(zhì)和防波板的1/2幾何模型，依次沿x負(fù)方向定義為：b1、b2、b3，其中b1和b2間的距離為2850mm，b2和b3間的距離為2900mm，材料為Q345，完成后如圖1所示。

圖1 防波板的幾何模型

因?yàn)楣迌?nèi)介質(zhì)是氣態(tài)和液態(tài)共存，故在ANSYS軟件中采用多相流來模擬介質(zhì)。設(shè)主相為液態(tài)，第二相為氣態(tài)，設(shè)定二相所包含的網(wǎng)格是以充裝系數(shù)為依據(jù)，取0.83為最大充裝系數(shù)。定義507kg/為液體介質(zhì)的密度，2.0為動(dòng)力粘度，1.81kg/為氣體介質(zhì)的密度，8.1為動(dòng)力粘度。流體的湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)模型，制動(dòng)時(shí)的減速度為-9.81m/。

2 計(jì)算結(jié)果分析

在流固耦合計(jì)算過程中，通過監(jiān)測(cè)防波板b1、b2和b3在x方向合力的變化情況，得到如圖2所示的b1、b2、b3在2s內(nèi)x方向受力變化的曲線。由圖2可以看出，在前0.7s內(nèi)b1、b2和b3變化趨勢(shì)基本一致，b1會(huì)在0.32s是出現(xiàn)x負(fù)方向最大合力9061N，b2和b3都在在0.26s是出現(xiàn)x負(fù)方向最大合力8936N和8315N。在0.7s后變化趨勢(shì)不同，說明在前0.7s內(nèi)介質(zhì)的晃動(dòng)步調(diào)幾乎是一致的，0.7s后介質(zhì)晃動(dòng)步調(diào)差異十分的顯著。b1、b2和b3在x方向的合力會(huì)出現(xiàn)正值，這是因?yàn)樵诮橘|(zhì)在晃動(dòng)過程中，出現(xiàn)了向x正向的涌動(dòng)，這與實(shí)際情況相符。

圖2 防波板x方向受力曲線

防波板最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。由曲線可知，在前0.5s內(nèi)應(yīng)力變化幅度較大，之后變化幅度不大，在1.72s后應(yīng)力變化趨于平緩，這與圖2中曲線變化基本一致。防波板最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.32s時(shí)刻，最大值為253.7MPa，防波板產(chǎn)生的最大應(yīng)力值小于Q345的屈服極限345MPa，防波板的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 防波板應(yīng)力變化曲線

圖4 防波板變形量變化曲線

測(cè)出防波板在流固耦合過程中每個(gè)時(shí)刻的最大變形量，觀察最大變形量的變化情況，得到防波板最大變形量隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。對(duì)比圖4和圖3可以看出，防波板最大變形量變化曲線與最大應(yīng)力變化曲線的變化形式幾乎完全一致。從圖4可知，在0.32s時(shí)刻防波板的變形最大，最大變形量為15.98mm，且出現(xiàn)最大位移的時(shí)刻與最大應(yīng)力的時(shí)刻相同。防波板的最大變形量較大，對(duì)流場(chǎng)得影響較大，說明文中采用雙向流固耦合計(jì)算方法是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

3 孔數(shù)、孔徑及孔位的變化對(duì)防波板的影響

改變防波板的阻尼孔直徑、位置和數(shù)量，此時(shí)防波板上有三個(gè)等直徑的圓形阻尼孔，三個(gè)小孔呈等腰三角形排列，其直徑為300mm，如圖5所示。

圖5 三阻尼孔防波板平面圖

重新建立模型，設(shè)定相同的外界參數(shù)，進(jìn)行仿真。將裝有兩種防波板的液面流動(dòng)圖進(jìn)行對(duì)比（圖6），圖中左側(cè)為裝有兩阻尼孔防波板的液面流動(dòng)圖，右側(cè)為裝有三阻尼孔防波板的液面流動(dòng)圖?？梢钥闯?，三阻尼孔防波板阻礙介質(zhì)向后封頭堆積的能力更強(qiáng)，隔離介質(zhì)的效果更加明顯，從而說明這種防波板抑制介質(zhì)晃動(dòng)的效果更加好。

圖6 裝有不同防波板的罐內(nèi)液面流動(dòng)圖

由于介質(zhì)晃動(dòng)會(huì)對(duì)罐體產(chǎn)生沖擊壓力，防波板上阻尼孔數(shù)量和直徑不同，罐體所受的沖擊壓力也不同。將三阻尼孔防波板在每個(gè)時(shí)刻受到的最大壓力作為輸出，可以得到安裝兩種不同結(jié)構(gòu)防波板時(shí)罐體所受壓力隨時(shí)間變化的情況，如圖7所示。此時(shí)三阻尼孔防波板的應(yīng)力最大值為248.4MPa，小于材料的屈服極限，故此結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 安裝不同防波板罐體手力變化曲線

從圖7可以看出，采用兩阻尼孔防波板時(shí)，罐體在前0.5s所受的最大壓力會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，而后變化快速的趨于平緩，這表明在前0.5s內(nèi)罐體內(nèi)介質(zhì)晃動(dòng)較大，0.5s后晃動(dòng)相對(duì)較為平緩。安裝三阻尼孔防波板時(shí)，在0.4s時(shí)罐體所受壓力達(dá)到最大，而后趨于平緩。相對(duì)于兩阻尼孔防波板的受力變化曲線可知，安裝三阻尼孔防波板時(shí)，罐體所受的壓力明顯小于兩阻尼孔防波板，說明三阻尼孔的防波板的防波能力更好，這意味著減小阻尼孔的大小，增加阻尼孔的數(shù)量，改變阻尼孔的位置，可以提高防波板的防波性能，減小介質(zhì)對(duì)罐體的沖擊，這與理論分析的情況非常吻合[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用流固耦合的方法分析介質(zhì)和防波板間的相互作用，獲得了防波板在罐車制動(dòng)工況下的應(yīng)力分布和變形情況，并校核了原防波板結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。

（2）通過對(duì)比防波板上不同孔徑、孔數(shù)、孔位對(duì)其性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化提供了真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

［1］趙鵬.國(guó)外大型液罐車發(fā)展綜述[J].專用汽車，1991（3）.

［2］向滔，陳國(guó)定，等.考慮流固耦合效應(yīng)的油罐車瞬態(tài)應(yīng)力分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010(08).

［3］王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［4］居榮初，曾心傳，著.彈性結(jié)構(gòu)與液體的耦聯(lián)振動(dòng)理論[M].北京：地震出版社，1983.

［5］Taylor G I.The pressure and impulse of submarine explosion waves on plates.In：Batchelor G Ked.The Scientific Papers of G.I.Ttaylor,Vol.2[J].Cambridge U-niversity Press,Cambridge，1963.

［6］喬維高.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010，9.