某發(fā)電列車車下燃油箱受縱向沖擊的流固耦合分析

林鵬　仲崇成

摘 要：該文基于雙向流固耦合方法，聯(lián)合軟件Star-CCM+和Abaqus，利用數(shù)值分析研究了充油量為50%的某發(fā)電列車車下燃油箱在受到標準規(guī)定的縱向沖擊后，箱內(nèi)燃油的晃動情況以及箱體結(jié)構(gòu)的瞬時應(yīng)力分布情況，找出了燃油箱中容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞的位置，并給出了相應(yīng)改進方案，為保證燃油箱的強度安全提供了可靠的設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電列車 燃油箱 流固耦合 Star-CCM+ Abaqus

中圖分類號：U27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0014-02

在鐵路飛速發(fā)展的今天，高速動車組的普及率越來越高，使人們出行更加方便、快速和環(huán)保。但受多方面因素的制約，目前仍有很多地域還沒有鋪設(shè)電氣化鐵路，這部分客運列車的空調(diào)等電器用電仍要靠發(fā)電列車供給。其中，燃油箱是發(fā)電列車不可或缺的設(shè)備，通常以吊掛方式安裝在車下底架。列車運行時，輪軌間將產(chǎn)生強烈的相互作用，使燃油箱劇烈振動，箱內(nèi)燃油產(chǎn)生的慣性晃動沖擊會嚴重影響箱體結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，因此在設(shè)計燃油箱結(jié)構(gòu)強度時充分考慮燃油晃動這一不利因素具有十分重要的意義。

目前，類似運動罐體液體晃動問題的研究已積累了一定成果，并且隨著計算機硬件水平的快速發(fā)展，越來越多的研究是基于流固耦合數(shù)值模擬完成的，如文獻[1-4]。不過，這些文獻研究的晃動加速度均為常數(shù)，且數(shù)值較小（通常小于1個重力加速度），作用時間較長。該文所研究的是正弦變化的瞬時大沖擊加速度，并且通過雙向流固耦合的動態(tài)數(shù)值模擬，以列車受縱向標準試驗沖擊加速度情況為例，研究燃油箱在晃動時間歷程中的最大應(yīng)力分布，為保證油箱結(jié)構(gòu)的強度安全提供可靠的設(shè)計參考。

1 數(shù)值模型的建立

流固耦合是仿真業(yè)界的熱點和難點，按耦合機理可大體分為兩類：第一類是耦合作用僅僅發(fā)生在固液兩相交界面上，如氣動或水動彈性等；第二類則是固體域和流體域部分或全部重疊在一起，難以明顯地分開，如泥土滲流等[5]。該文問題屬于第一類，目前常用解決方案是利用FEM和CFD專業(yè)軟件各自進行固體域和流體域內(nèi)單增量步的計算，然后按指定策略在耦合交界面網(wǎng)格處交換和更新必要數(shù)據(jù)，再各自進行新一輪單增量步計算，如此循環(huán)，直至滿足收斂要求。

1.1 研究對象與材料參數(shù)

該發(fā)電列車主要在高寒地帶行駛，因此燃油箱總體采用“外箱+保溫材料+內(nèi)箱”的“三明治”結(jié)構(gòu)，設(shè)計容積約3 200 L。內(nèi)、外箱體通過加強筋框架連接，內(nèi)箱里還設(shè)有若干開孔擋板用來控制燃油晃動。箱體頂部大開孔為注油孔，兩側(cè)還分別布有6個開孔。

燃油箱內(nèi)、外箱體及加強筋框架均由耐候鋼Q355GNHE制成，其彈性模量約為210 GPa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3，屈服強度約為355 MPa。保溫材料為硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，其彈性模量比鋼材要小三個量級以上，因此該文將忽略保溫材料結(jié)構(gòu)。燃油選用-20#輕柴油，可保證在-20℃低溫時仍不會結(jié)蠟，其密度約為780 kg/m3，動力粘度接近水的3倍，約為2.4×10-3 Pa·s。另外，燃油晃動模擬還需考慮空氣，其密度約為1.18 kg/m3，動力粘度約為1.86×10-5 Pa·s。上述流體工質(zhì)的材料參數(shù)均來自Star-CCM+。

1.2 網(wǎng)格劃分

流體域網(wǎng)格劃分。該文選用了Star-CCM+主推的多面體網(wǎng)格。該類網(wǎng)格相對于傳統(tǒng)網(wǎng)格類型（如四面體）相比具有很多優(yōu)點[6]。

固體域網(wǎng)格劃分。首先，忽略外箱結(jié)構(gòu)，因為外箱鋼板的厚度為1 mm，而且均為平板，與2.5 mm厚的加強筋框架相比，其對燃油箱整體剛度的貢獻不大。隨后，需要抽取加強筋框架的中面，同時剖分余下的內(nèi)箱、箱蓋及吊掛支架等至可映射結(jié)構(gòu)。最后，使用4節(jié)點四邊形殼單元離散加強筋框架中面，使用8節(jié)點六面體實體單元離散箱蓋，同時為保證流固耦合數(shù)據(jù)映射的正確性，使用8節(jié)點實體殼單元離散剩余箱體結(jié)構(gòu)。

1.3 邊界條件施加

計算工況：基于標準TB/T3058-2002《鐵路應(yīng)用 機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》，該文主要分析在50%充油量的情況下，燃油箱箱體分別受縱向峰值5 g沖擊響應(yīng)。該加速度在沖擊后的前30 ms內(nèi)均呈正弦變化，且作用方向為坐標軸正向。模擬每種沖擊情況的計算時間為150 ms。

2 計算結(jié)果分析

不同時刻下燃油液面的狀態(tài)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布如圖1所示，云圖中的應(yīng)力單位均為兆帕，結(jié)構(gòu)變形放大倍數(shù)均為200。一方面，由于燃油的粘度較大，發(fā)生沖擊后的頭30 ms內(nèi)，液面晃動并不明顯，當沖擊時間至90 ms之后時，液面開始出現(xiàn)大幅晃動。另一方面，固體域計算步長在毫秒量級，質(zhì)量項帶來的慣性影響不可忽略。此外，擋板受燃油沖擊后將產(chǎn)生慣性振動，并且隨晃動時間的增加不斷衰減。其中位于中間的橫向擋板變形最大，但其變形極值僅為數(shù)毫米，相對于數(shù)米長的油箱而言，結(jié)構(gòu)邊界變形對流場的影響甚微。在21 ms左右油箱結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力極值達到最大，應(yīng)力集中區(qū)位于各擋板與內(nèi)箱底板的連接處附近，應(yīng)力最大值為180 MPa，但遠小于箱體材料的屈服極限。

3 結(jié)語

該文聯(lián)合軟件Star-CCM+和Abaqus，利用雙向流固耦合數(shù)值仿真，研究了充油量為50%的某發(fā)電列車車下燃油箱在受到指定加速度沖擊后，箱內(nèi)燃油的晃動及箱體結(jié)構(gòu)的瞬時應(yīng)力分布情況。得出結(jié)論，當充油量為50%時，燃油箱受縱向沖擊后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值遠小于箱體材料的屈服極限，沖擊過程中的應(yīng)力最大值和應(yīng)力集中部位均出現(xiàn)在擋板與內(nèi)箱連接處附近。在燃油箱原方案中，擋板與內(nèi)箱的連接由于焊縫處存在殘余應(yīng)力和焊接缺陷，往往是力學(xué)性能較為薄弱的部位，所以需要將焊縫避開該應(yīng)力集中區(qū)域，避免由焊縫直接承受來自燃油的晃動沖擊。通過改進，焊縫位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，晃動沖擊載荷改由擋板母材來承受，因此大大提高了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和使用安全性。

參考文獻

[1] 劉雪梅.液體晃動的數(shù)值模擬及不同慣性力加載方式對罐式集裝箱強度的影響研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.

[2] 向韜，陳國定，于向陽.考慮流固耦合效應(yīng)的油罐車瞬態(tài)應(yīng)力分析[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2010（8）：1065-1068.

[3] 周國發(fā).孫麗娜.基于流固耦合作用的罐式集裝箱強度分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報：工科版，2012（2）：111-114.

[4] 劉小民，王星，許運賓.運動罐體內(nèi)液體晃動的雙向流固耦合數(shù)值分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2012，46（5）：120-126.

[5] 徐國徽.顧學(xué)康.液艙晃蕩載荷數(shù)值模擬中的流固耦合影響研究[J].船舶力學(xué)，2012，16（5）：514-522.

[6] 邱靜，王國志，李玉輝.基于STAR-CCM+的簡單流體模型CFD研究[J].液壓氣動與密封，2010，30（10）：8-10.