沙鵬

摘? 要：該文以液體箱的流固耦合及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析為主要研究對(duì)象，在探討液體箱液體晃動(dòng)水擊過(guò)程模擬狀態(tài)及結(jié)果計(jì)算的基礎(chǔ)上，深入梳理液體晃動(dòng)沖擊對(duì)液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)的重要影響，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化改良液體箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：液體箱;流固耦合;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469.61? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

液體箱具備運(yùn)輸方式多種多樣、水路連通、既可做運(yùn)輸工具又可做存儲(chǔ)工具等諸多優(yōu)勢(shì)，更能夠憑借其安全可靠性和靈活便捷性為工業(yè)生產(chǎn)提供重要技術(shù)支撐。因此，對(duì)液體箱的流固耦合及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行分析研究具備重要意義。

1 液體晃動(dòng)水擊過(guò)程模擬與結(jié)果

該文以帶有防波板的液體箱為模型，根據(jù)我國(guó)液體箱的實(shí)際應(yīng)用情況，規(guī)定液體箱實(shí)際運(yùn)行初速度為16.66 m/s，進(jìn)一步將液體箱的液體操作壓力取值界定為101.325 kPa，規(guī)定液體箱的實(shí)際充裝率為85%。在該基礎(chǔ)上，對(duì)液體箱的液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力強(qiáng)度大小進(jìn)行模擬研究，研究結(jié)果顯示，在液體箱的初始制動(dòng)階段，汽車慣性力作用下的液體箱內(nèi)液體向前涌動(dòng)，而在液體箱關(guān)閉阻礙后向后涌動(dòng)。整個(gè)過(guò)程中，液體箱內(nèi)的液體將會(huì)對(duì)液體箱內(nèi)壁產(chǎn)生較大的水擊壓力，其最大液體晃動(dòng)水擊壓力為2.1 MPa，大概率下作用于液體箱的前半部分。當(dāng)液體罐車停止運(yùn)行后，液體箱內(nèi)液體還會(huì)微小的前后晃動(dòng)，此時(shí)液體箱內(nèi)壁最大壓強(qiáng)值逐步接近靜水壓強(qiáng)值，圖1即為壓強(qiáng)隨剎車時(shí)間變化的示意圖。

2 液體晃動(dòng)沖擊對(duì)液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)的影響

液體箱實(shí)際計(jì)算壓力值大小不應(yīng)小于液體箱設(shè)計(jì)壓力和液體箱罐體在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中所承受的介質(zhì)慣性力的等效壓力和，在該條件制約下，該文研究了液體箱實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中罐體內(nèi)液體晃動(dòng)水擊壓力值大小對(duì)整個(gè)液體箱的罐體力學(xué)響應(yīng)影響，并對(duì)不同類別的應(yīng)力值大小進(jìn)行分類校核和強(qiáng)度分析。首先，根據(jù)液體箱液體晃動(dòng)沖擊對(duì)液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)影響因素分析構(gòu)件力學(xué)模型，再結(jié)合液體箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)力特征的基礎(chǔ)上，對(duì)液體箱內(nèi)沖擊力較大的罐體前半部分進(jìn)行深入研究和計(jì)算[1]。

在梳理液體晃動(dòng)沖擊對(duì)液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)影響的過(guò)程中，該文首先對(duì)液體液體箱的整個(gè)罐體結(jié)構(gòu)和功能尺寸大小進(jìn)行分析，根據(jù)液體箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和液體箱運(yùn)行過(guò)程中的荷載承受極限及其承受規(guī)律，對(duì)液體箱的罐底結(jié)構(gòu)尺寸和整體模式進(jìn)行計(jì)算，圖2即為液體箱結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。其次，對(duì)液體箱在運(yùn)行過(guò)程中的位移邊界條件和力學(xué)邊界條件進(jìn)行分析。就液體箱的位移邊界條件問(wèn)題來(lái)說(shuō)，由于液體箱的整個(gè)支撐圈和液體箱的罐體框架結(jié)構(gòu)相連，端面處在水平方向、水平方向的垂直方向以及結(jié)構(gòu)面豎直方向上的位移均為零，而液體箱的框架與筒體連接處整個(gè)框架結(jié)構(gòu)體系對(duì)罐體筒體墊板的作用力分析可知，可將框架對(duì)墊板作用力視為與水平方向相垂直方向上的位移約束，且該約束大小值為零。

就液體箱的力學(xué)邊界條件約束問(wèn)題來(lái)說(shuō)，由于液體箱在整個(gè)液體運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)計(jì)壓力較小，而液體箱的箱體自重壓力為333.2 kN，整個(gè)作用于液體箱中心的對(duì)稱結(jié)構(gòu)面上。同時(shí)，液體箱在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)荷載作用往往也同樣集中于液體箱的箱體重心的對(duì)稱面上，并進(jìn)一步將運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)荷載作用轉(zhuǎn)化為集裝箱重心的對(duì)稱面表面的等效壓力。根據(jù)液體箱力學(xué)計(jì)算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其行業(yè)規(guī)范，液體箱在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中的荷載組合可進(jìn)一步分4個(gè)類別。第1類別的液體箱荷載為計(jì)算壓力加罐體自重加液體箱運(yùn)行過(guò)程中的縱向慣性力大小，該縱向慣性力大小為液體箱額定承載質(zhì)量與2倍重力加速度值的乘積。第2類別的液體箱荷載值為計(jì)算壓力加液體箱運(yùn)行過(guò)程中水平方向的慣性力大小，而罐體水平方向上的慣性力大小為額定質(zhì)量與1倍加速度值相乘所得的動(dòng)荷載大小。第3類別液體箱計(jì)算荷載為計(jì)算壓力加上液體箱垂直向上方向的慣性力大小，該類垂直向上方向的慣性力大小往往為液體箱額定質(zhì)量乘以1倍加速度值的動(dòng)荷載值大小[2]。第4類液體箱荷載為計(jì)算壓力值大小加液體箱垂直向下方向的慣性力大小，該垂直向下方向的慣性力大小是液體箱的額定質(zhì)量乘以2倍加速度的動(dòng)荷載值。

以液體箱第3類別的計(jì)算壓力值和垂直向上方向的慣性力大小值這一運(yùn)輸過(guò)程中的荷載組合情況為研究對(duì)象可知，按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將液體箱的最大應(yīng)力界定為215.36 MPa，以液體箱的設(shè)計(jì)應(yīng)力和液體箱運(yùn)輸過(guò)程中液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁造成的壓力值之和作為整個(gè)液體箱設(shè)計(jì)壓力值，液體箱在此荷載組合情況下的最大應(yīng)力值為298.5 MPa，其危險(xiǎn)截面比規(guī)范規(guī)定的最小等效壓力值進(jìn)行液體箱的罐體強(qiáng)度設(shè)計(jì)截面大，圖3即為某一危險(xiǎn)截面應(yīng)力曲線圖。

最后，總結(jié)液體晃動(dòng)沖擊對(duì)液體箱罐體的力學(xué)影響結(jié)果可知，在流體體積法理論支撐下，對(duì)液體箱在運(yùn)行過(guò)程中的晃動(dòng)沖擊影響過(guò)程進(jìn)行探討與梳理，得到液體箱內(nèi)壁水擊壓力設(shè)計(jì)受剎車過(guò)程及罐車運(yùn)行速度變化情況的影響，在最大水擊壓力工作條件下，利用相關(guān)軟件對(duì)液體箱進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)液體箱進(jìn)行分類和應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。在液體箱制動(dòng)過(guò)程中，罐體內(nèi)壁所受晃動(dòng)水擊壓力大小隨著剎車時(shí)間的不斷延長(zhǎng)而隨之變化。其中，液體箱整個(gè)過(guò)程液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力值大小可高達(dá)2.1 MPa，在液體箱的前半部分發(fā)生。另一方面，由于液體箱液體晃動(dòng)過(guò)程實(shí)際所產(chǎn)生的水擊壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的下限值，且會(huì)對(duì)液體箱的罐體產(chǎn)生一定應(yīng)力應(yīng)變影響。因此，按照液體箱剎車制動(dòng)過(guò)程的水擊晃動(dòng)特性計(jì)算液體箱內(nèi)壁壓力值大小，可在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算最大應(yīng)力值的基礎(chǔ)上增加40%左右，而標(biāo)準(zhǔn)液體箱設(shè)計(jì)壓力與其等效壓力值之和的計(jì)算壓力，能滿足罐體各部分的應(yīng)力應(yīng)變要求。但是，以罐體設(shè)計(jì)壓力和水機(jī)晃動(dòng)內(nèi)壁壓力之和作為液體箱的最終計(jì)算壓力并不能滿足強(qiáng)度支撐，很容易使液體箱的支撐圈和封頭連接處表面應(yīng)力值大于許用應(yīng)力值而影響液體箱的安全運(yùn)輸。

3 集裝箱罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在液體箱的罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，使用全新的液體箱專利技術(shù)，在保證液體箱結(jié)構(gòu)安全和強(qiáng)度可靠的基礎(chǔ)上，取消液體箱傳統(tǒng)模式下的上下梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以底側(cè)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要連接部件，將液體箱的角件和液體箱整個(gè)罐體緊密聯(lián)合，改善傳統(tǒng)模式下液體箱整體受力不均勻的外在條件，使液體箱的橫梁受力面能夠保持在同一垂直面范圍內(nèi)，減少液體箱結(jié)構(gòu)自重的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化液體箱的制造工藝和液體箱的焊接點(diǎn)數(shù)量。另一方面，在原有的液體箱連接圈與罐體的連接部位，取消傳統(tǒng)模式的焊接過(guò)渡支撐構(gòu)件，改用連接圓筒將液體箱的罐體和罐體框架的前后端框緊密焊接，保證液體液體箱制造方便的同時(shí)，有效改良液體液體箱的整個(gè)受力情況，降低液體箱自重達(dá)到節(jié)能環(huán)保。

4 結(jié)論

總之，隨著近年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和我國(guó)鐵路網(wǎng)、公路網(wǎng)甚至水路運(yùn)輸?shù)冉煌ňW(wǎng)絡(luò)體系的不斷完善，石油化工原材料、液化天然氣LNG等利用液體箱進(jìn)行高效率的運(yùn)輸，不斷降低單位運(yùn)輸成本，憑借其較良好的安全可靠性和維護(hù)便捷性，在工業(yè)生產(chǎn)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中做出了重要貢獻(xiàn)。液體箱的進(jìn)一步應(yīng)用和產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)水平的提升，將會(huì)給石油化工、天然氣等的高效率運(yùn)輸注入更強(qiáng)大的活力，具備較為廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]譚磊.20ft液化氣體罐式集裝箱的設(shè)計(jì)[J].能源研究與管理，2016（4）：70-72.

[2]周國(guó)發(fā)，孫麗娜.基于流固耦合作用的罐式集裝箱強(qiáng)度分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2012，34（2）：111-114.