側風對儲物箱的安全性影響分析與試驗

李芳，趙午云，劉延龍

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900)

0 前言

側風是氣象對車輛行駛安全的一個重要影響因素，國內外對側風作用下的鐵路車輛與公路車輛的氣動性能的影響研究較早，研究方法包括風洞試驗與仿真模擬等。

側風對車輛行車安全的影響研究工作初始以鐵路車輛的行駛安全展開，20世紀90年代前主要研究方法為風洞試驗法，通過風洞試驗對鐵路車輛的氣動特性做出研究，近年來隨著計算流體力學與計算機計算性能的提高，計算流體仿真研究也逐步開展。

早在1984年，COOPER利用鐵路車輛模型在風洞中進行了鐵路車輛的氣動荷載特征研究，并對路面行動車輛的側風功率譜函數、互相關函數等函數進行了推導。

后續研究者在研究側風影響下的列車氣動性能時考慮了鐵路材料對氣動性能的影響，并對不同橋寬、不同側偏角、不同高度路基進行了試驗研究，還針對高速列車開展了基于壓力場測試的風洞試驗模型研究。

典型的研究成果包括通過Simple算法求解RANS方程，計算得出了列車在側風影響下的流場基本結構特征；以及使用流體力學軟件對高速列車的側風效應進行模擬，并對網格劃分的密度與質量、計算方法、紊流模型及邊界設置等對流體力學計算結果的影響進行比較。

國內如西南交通大學等研究機構對于側風效應研究也較多。如使用流體力學分析軟件對雙層的列車在側風影響下的氣動升力系數、側向力系數、側傾力矩系數等進行了計算，并得到了各系數與車輛速度、側風強度的數量變化關系。隨著CFD仿真軟件計算精度提高、計算成本較低，采用數值模擬方法求解列車周邊流體流動及其氣動性能的研究增多。2011年西南交大于夢閣等假定側風為定常流動，外部流場選擇不可壓縮流場模型的設定，對列車在不同強度與側偏角的側風影響下的車體與車輪行駛狀態做出分析。同年中南大學苗秀娟通過數值模擬手段對側風影響下的列車氣動系數以及其與側偏角的數量變化關系進行了研究。

目前國內外研究學者主要致力于側風對運輸工具的安全性進行研究，對于文中的研究對象和研究工況，即類似于高原或者勁風等大風速工況、迎風面積較大的大型儲物箱的研究相關報道較少。而這種大型儲物箱在裝卸過程中也面臨側風引起的滑移動和傾覆等安全性問題。針對這一問題，本文作者以固定在移動托盤上的圓柱形儲物箱為例，研究在平均風速15 m/s和瞬時風速25 m/s的情況下某種型號尺寸的儲物箱的安全性，文中主要以數值仿真的方法計算該儲物箱在不同風速工況下的側向作用力和傾覆力矩，結合摩擦力和力矩計算結果，確定在平均風速15 m/s和瞬時風速25 m/s的情況下該儲物箱不會發生滑移和傾覆；針對該型儲物箱開展驗證試驗，試驗結果與仿真分析一致，驗證了數值仿真結果的有效性。

1 數學模型建立

1.1 原始模型

文中的研究對象為放置在移動托盤上的某種大尺寸型儲物箱，兩者固聯為一個整體。移動托盤材料為6061鋁合金，質量為200 kg，托盤兩輪之間的寬度為1 600 mm；儲物箱的質量為2.9 t，儲物箱直徑為1 400 mm，長度為2 100 mm，質心距離地面的高度為800 mm，如圖1—圖3所示。

圖1 移動托盤和儲物箱組合

圖2 移動托盤

圖3 儲物箱

移動托盤滾輪為鋁合金外包覆聚氨酯材料，地面為硬化地面(一般為水泥地面)。

1.2 建立仿真模型

由于移動托盤含有零件較多，實體尺寸跨度較大，在分析軟件中容易導致網格劃分規模過大、計算資源無法滿足的問題。為此，文中仿真對移動托盤的原始模型進行了適當簡化。

由于主要分析側向風對儲物箱側向作用力和力矩后的安全性，因此，只要保證側向迎風面積不小于托盤側向迎風面積即可。為此，將移動托盤簡化為一個長方體，且不改變儲物箱的重心高度。這種簡化填補了原來移動托盤很多可以過風的結構，實際上增加了移動托盤的迎風面積，將使得儲物箱和移動托盤整體的受力計算結果偏大，對其抗風安全性的評估結論更趨于保守、可靠。簡化后的模型如圖4所示。

圖4 簡化后的托盤儲物箱模型

由于仿真模型具有對稱性，為此，可采用計算半個模型的方式進行計算，半個模型外圍的風場尺寸設置為3 000 mm×3 000 mm×6 000 mm，如圖5所示。

圖5 儲物箱外圍的風場模型

1.3 網格劃分

利用ICEM CFD對流場模型進行網格劃分，通過網格無關性驗證，綜合計算量和仿真結果最終選擇了最大網格尺寸設置為100 mm的網格劃分方式。在車體表面進行網格加密，第一層網格尺寸設置為10 mm，網格層數為10層，形成的網格劃分情況如圖6和圖7所示。

圖6 托盤儲物箱網格劃分情況

圖7 風場模型網格劃分情況

1.4 邊界條件設置

入口為速度入口，入口風速根據任務需求分別設置為15、25 m/s，湍流強度為2%，湍流直徑為6 108 mm；

出口為壓力出口，出口壓力設置為0，湍流強度為2%，湍流直徑為6 108 mm；

對稱面設置為對稱邊界；

其余均設置為壁面邊界條件。

湍流模型選擇標準-模型，在壁面處進行網格加密處理，求解器選擇基于壓力基的求解器，當平均風速為15 m/s時，選擇穩態時間類型；當瞬態風速為25 m/s時，選擇瞬態時間類型。

2 仿真結果與討論

2.1 側風對儲物箱的作用力和最小傾覆力矩計算

儲物箱和移動托盤固聯為一個整體放在地面上，假定地面的滑動摩擦因數為0.5，若儲物箱發生滑動，則至少需要克服地面的滑動摩擦阻力為15 190 N，計算方法見公式(1)。

===

(1)

式中：為摩擦因數，量綱一化；為摩擦阻力(N)；為正壓力(N);為重力(N)；為質量(kg)；為重力加速度。

儲物箱和移動托盤固聯為一個整體放在地面上，若儲物箱發生傾覆，則至少需要克服儲物箱和移動托盤自重相對于移動托盤輪胎形成的力矩24 303 N·m，計算方法見公式(2)。移動托盤兩側輪胎間距為1 600 mm，即儲物箱重力相對輪胎的翻轉力臂為800 mm。

===

(2)

式中：為力矩(N·m)；為力臂(m);文中為重心相對于移動托盤輪胎的距離。

2.2 數值仿真結果

通過數值仿真得到儲物箱在不同工況下受到的最大側向力和翻轉力矩分別為1 521 N和931 N·m，遠小于理論上發生滑移的摩擦阻力和最小傾覆力矩，因此，該儲物箱在2種工況下均不發生滑移和傾覆，安全性能良好。通過數值仿真方法得到各儲物箱在不同工況下的壓力云圖見圖8。

圖8 不同工況下的壓力云圖

從圖8可看出:風速越大儲物箱受到的側向壓力越大，且在迎風面的壓力值最大，隨著儲物箱弧度的變化壓力逐漸減小，在儲物箱的頂端達到最小值。

綜上所述，儲物箱在瞬時風速25 m/s時受到的側向力和翻轉力矩均高于在平均風速15 m/s受到的側向力和翻轉力矩，即儲物箱在瞬時風速25 m/s時受到的側向力和側向力矩最大，最大側向力為1 521 N，最大翻轉力矩為931 N·m。

3 試驗驗證

3.1 試驗方法

試驗采用儲物箱1∶1質量模擬件，安裝固定于移動托盤上，移動托盤靜置于地面。在儲物箱質量模擬件的質心位置附近，正側向施加靜態拉力載荷，模擬儲物箱及移動托盤整體受到到強風侵襲的工況。試驗系統組成如圖9所示。

圖9 側向力加載驗證試驗系統

試驗加載時，拉索的一頭系固于質量模擬件的芯軸上(水平位置位于儲物箱的質心位置)；加載力通過負載(鐵塊)重力穩定施加；支架主要起到力的換向作用，讓負載重力轉換為對儲物箱的側向拉力；配重塊起到固定支架的作用。

3.2 試驗結果

實驗所加負載為3 193 N，由3塊尺寸相同的鐵塊焊接而成，單個鐵塊質量108.6 kg。加載狀態如圖10所示。

圖10 側向力加載驗證試驗系統加載狀態

負載對移動托盤和儲物箱質量模擬件施加的側向拉力為3 193 N(3×108.6 kg×9.8 m/s)，試驗結果表明：移動托盤和儲物箱質量模擬件整體無滑移、未側翻。

側向力的安全系數：3 193 N/1 521 N=2.1。

側向力的翻轉力矩安全系數：3 193 N×0.8 m/931 N·m=2.7。

其中：0.8 m為儲物箱質心距地面距離;931 N·m為儲物箱在25 m/s瞬時風速條件下所受翻轉力矩的仿真計算值。

按照仿真計算結果，儲物箱在25 m/s瞬時風速條件下，至少具有2倍的抗風安全系數，滿足安全性設計要求。

4 結論

針對大尺寸儲物箱在側風作用下的安全性問題，利用FLUENT軟件對儲物箱周圍的流場形態進行模擬，得到了該儲物箱分別在平均風速15 m/s和瞬時風速25 m/s作用下的側向作用力和作用力矩。在不同工況下風的最大側向力和翻轉力矩均遠遠小于儲物箱和移動托盤整體相對于地面的滑動摩擦阻力和最小傾覆力矩。針對該儲物箱質量模擬件開展了模擬抗風驗證試驗，當側向加載力為3 193 N時，整體無側向滑移、未產生側翻，滿足在大風速作用下在運輸工具上裝卸的安全性要求。