摘要：探究了一種?；愤\(yùn)輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)過程，以流固耦合分析了不同時(shí)刻不同液面高度罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)的氣-液兩相分布、側(cè)向力、罐體封頭與防波板最大主應(yīng)力和總形變。結(jié)果表明：罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)過程呈現(xiàn)出周期性變化，包括減速階段與自由晃動(dòng)階段；在自由晃動(dòng)階段，罐內(nèi)液體產(chǎn)生的沖擊力明顯減小。在罐體裝載介質(zhì)、防波板結(jié)構(gòu)、制動(dòng)加速度以及轉(zhuǎn)向離心加速度不變時(shí)，適當(dāng)增加罐內(nèi)液面高度，有利于減小罐內(nèi)液體對(duì)每塊防波板沖擊晃動(dòng)形成的側(cè)向力Fy峰值，有利于減小罐內(nèi)液體對(duì)封頭與防波板形成的最大主應(yīng)力，有利于推遲總變形達(dá)到峰值時(shí)間。罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)對(duì)前封頭、筒體、防波板以及后封頭產(chǎn)生的局部最大強(qiáng)度主要出現(xiàn)在前封頭與筒體的焊接處、防波板流通孔邊緣、后封頭與筒體的焊接處。

關(guān)鍵詞：危化品運(yùn)輸車；罐體；防波板；不同液面高度；流固耦合

中圖分類號(hào)：U463.8 收稿日期：2024-06-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.012

1 前言

罐車在運(yùn)輸強(qiáng)腐蝕性、易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)化學(xué)品中扮演著重要角色。但罐車在運(yùn)輸過程中，隨著罐車加速、勻速、減速、轉(zhuǎn)彎、緊急剎車、顛簸路面等極限工況改變，罐內(nèi)?；芬后w產(chǎn)生連續(xù)晃動(dòng)與振動(dòng)沖擊，嚴(yán)重影響罐車行駛穩(wěn)定性、制動(dòng)性與安全性[1]。

根據(jù)《TSG特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定[2]，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%。王國(guó)慶等[3]對(duì)比探究了運(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。王欽等[4]設(shè)計(jì)優(yōu)化了液罐車防波板結(jié)構(gòu)，分析了防波板上的孔洞設(shè)置對(duì)液罐車抑波性能的影響。王建業(yè)[5]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。另外，王云鵬等[6]探究了不同充液率對(duì)罐體防波板的沖擊晃動(dòng)影響，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。鄧康茜等[7]研究了油罐車罐體在空載、充液70%、充液85%以及滿載狀態(tài)下的固有特性，并發(fā)現(xiàn)隨著充液量的增加，罐體的固有頻率降低。房亮[8]利用有限元軟件研究了液罐車在制動(dòng)工況下液體晃動(dòng)對(duì)罐體結(jié)構(gòu)的影響，并發(fā)現(xiàn)罐體內(nèi)擋板上的最大應(yīng)力位于受液體沖擊一側(cè)。

綜上可知，目前關(guān)于對(duì)罐車防波板液體晃動(dòng)問題的研究，大部分集中于二維仿真模型罐體內(nèi)部防波板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、罐體充裝率、制動(dòng)激勵(lì)及模態(tài)等方面，詳細(xì)分析了二維仿真中罐車液體晃動(dòng)沖擊的作用力和作用力矩。但是，對(duì)于三維模型中運(yùn)輸車罐內(nèi)液體不同液面高度“流固耦合”沖擊晃動(dòng)過程、形成流體壓力、側(cè)向力、罐體封頭與防波板最大主應(yīng)力和總形變、液體沖擊晃動(dòng)對(duì)罐體產(chǎn)生的局部最大強(qiáng)度等有待進(jìn)一步深入研究。

2 模型建立與參數(shù)設(shè)置

2.1罐體仿真模型建立

借助SOLIDWORKS 2024建立罐體三維模型及約束條件（圖1），運(yùn)輸車罐體模型主要包括前封頭、筒體、防波板及后封頭4個(gè)部分，8塊橫向防波板安裝在筒體內(nèi)部，將罐體整體分為9個(gè)容積相等的艙室。運(yùn)輸車罐體長(zhǎng)度為12 000 mm，罐體半徑為1 100 mm，罐體厚度為5 mm，防波板厚度為5 mm。罐體材料均為碳素鋼Q235，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度375 MPa。

2.2 模型邊界條件設(shè)置

將三維模型導(dǎo)入Workbench 2023 R1中進(jìn)行網(wǎng)格劃分與仿真分析。根據(jù)運(yùn)輸車罐體結(jié)構(gòu)生成流體計(jì)算域，流體主要包括空氣與液體介質(zhì)，如圖2所示。坐標(biāo)原點(diǎn)位于運(yùn)輸車罐體中心，X軸正方向與地面平行且為運(yùn)輸車罐體前進(jìn)方向，Y軸正方向與地面平行且為向右的方向，Z軸正方向與地面垂直且為豎直向上的方向。設(shè)置裝載介質(zhì)為柴油，其密度為850 kg/m3，黏度為2.59 mPa·s。罐體內(nèi)液面高度設(shè)置H分別為1.10 m、1.30 m、1.50 m及1.70 m，運(yùn)輸車罐體制動(dòng)加速度為7.84 m/s2，垂直方向沖擊加速度19.6 m/s2，轉(zhuǎn)向離心加速度0.98 m/s2。以總時(shí)間2 s對(duì)運(yùn)輸車不同時(shí)刻液體晃動(dòng)沖擊狀況進(jìn)行分析。

3 運(yùn)輸車罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)仿真結(jié)果分析

3.1 不同時(shí)刻罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)氣-液兩相圖

為了更加清晰看到罐內(nèi)液體不同時(shí)刻沖擊晃動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀況，以罐體表面的流體域作為氣液兩相分布圖。根據(jù)圖3結(jié)果可以看出，初始時(shí)刻罐內(nèi)液體與運(yùn)輸車具有相同初始速度，二者保持相對(duì)靜止，即液體處于水平位置；但運(yùn)輸車受到激勵(lì)（制動(dòng)加速度）作用后，由于慣性作用罐內(nèi)液體向前封頭方向移動(dòng)，罐體前封頭液面急速升高，且液體開始沖擊前封頭罐壁；同時(shí)，罐體內(nèi)各個(gè)艙室右側(cè)液面升高，左側(cè)液面降低。由于罐體與防波板均為剛性固體，在罐體內(nèi)壁的反作用下，罐內(nèi)液體接著向后封頭方向移動(dòng)，各個(gè)艙室左側(cè)液面升高，右側(cè)液面降低。持續(xù)反復(fù)且重復(fù)以上這個(gè)過程，在罐內(nèi)液體自身重力（重力場(chǎng)）與表面張力（液體粘度）共同作用下，罐體各個(gè)艙室內(nèi)的液體會(huì)產(chǎn)生周期性晃動(dòng)衰減趨勢(shì)。此外，由于罐體內(nèi)各個(gè)艙室相通，液體可以經(jīng)過防波板在各個(gè)艙室之間流動(dòng)，最終罐體內(nèi)液面高度趨于平穩(wěn)，回歸初始時(shí)刻狀態(tài)［9］。

仿真范圍內(nèi)，罐內(nèi)液體在0.1～0.4 s內(nèi)先沿著防波板與前封頭曲面向上運(yùn)動(dòng)，第一次持續(xù)沖擊前封頭，在0.4～0.5 s 內(nèi)移動(dòng)液體對(duì)前封頭沖擊完成；在0.5～0.8 s內(nèi)液體在重力作用下向下傾瀉，朝反方向回流，在0.8～0.9 s 內(nèi)移動(dòng)液體第一次回流結(jié)束。罐內(nèi)液體在0.9～1.2 s內(nèi)第二次持續(xù)沖擊前封頭，在1.2～1.3 s 內(nèi)移動(dòng)液體對(duì)前封頭沖擊完成。在1.3～1.6 s內(nèi)液體在重力作用下向下傾瀉，朝反方向回流，在1.6～1.7 s 內(nèi)移動(dòng)液體第二次回流結(jié)束。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，液體進(jìn)行第二次沖擊沿著曲面向上運(yùn)動(dòng)高度要小于第一次沖擊向上運(yùn)動(dòng)高度，表明罐內(nèi)液體對(duì)防波板與前封頭的沖擊力減小。

3.2 不同時(shí)刻不同液面高度的氣-液兩相分布圖

圖4為不同時(shí)刻不同液面高度的罐內(nèi)液體氣-液兩相分布圖?？梢钥闯觯迌?nèi)液體在0.025 s內(nèi)，雖然罐內(nèi)液面高度不同（H分別為1.10 m、1.30 m、1.50 m及1.70 m），但液體基本處于水平位置。這是因?yàn)檫\(yùn)輸車受到激勵(lì)作用后，在非常短時(shí)間內(nèi)，運(yùn)輸車與罐內(nèi)液體產(chǎn)生的速度差值非常小，兩者在很短時(shí)間內(nèi)仍保持相對(duì)靜止。在0.5 s內(nèi)，罐內(nèi)液體沿著防波板與前封頭曲面方向移動(dòng)，不同液面高度的移動(dòng)液體在這段時(shí)間內(nèi)持續(xù)沖擊前封頭。這是因?yàn)檫\(yùn)輸車受到激勵(lì)作用后，由于慣性作用罐內(nèi)液體繼續(xù)沿著前封頭方向運(yùn)動(dòng)，持續(xù)沖擊前封頭曲面罐壁。在0.5 s以后，由于罐體內(nèi)壁反作用與重力作用共同影響，罐內(nèi)液體朝后封頭方向移動(dòng)，罐體內(nèi)各個(gè)艙室右側(cè)液面降低，左側(cè)液面升高。持續(xù)反復(fù)且重復(fù)以上這個(gè)過程，最終罐內(nèi)高度不同液體均處于水平位置。

3.3 不同時(shí)刻不同液面高度沖擊晃動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向力

圖5為不同時(shí)刻不同液面高度沖擊晃動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向力。根據(jù)圖5a可以看出，當(dāng)罐內(nèi)液面高度H=1.10 m時(shí)，在0.95 s內(nèi)，所有防波板受到罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)形成的側(cè)向力Fy呈現(xiàn)出先增大后減小變化趨勢(shì)；每塊防波板受到罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)形成的側(cè)向力Fy第一次峰值不同，且在0.525 s時(shí)防波板3的側(cè)向力Fy峰值最大，為15 036.17 N；在0.325 s時(shí)防波板8的側(cè)向力Fy峰值最小，為9 828.03 N。

根據(jù)圖5b～圖5d可以看出，每塊防波板受到罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)形成的側(cè)向力Fy數(shù)值大小處于“波動(dòng)”狀態(tài)，不同時(shí)刻不同液面高度沖擊防波板1的側(cè)向力Fy峰值最大。隨著罐內(nèi)液面高度的增大，液體沖擊晃動(dòng)形成的側(cè)向力Fy峰值逐漸降低；且當(dāng)罐內(nèi)液面高度為1.30 m、1.50 m 及1.70 m時(shí)，罐內(nèi)液體對(duì)防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy第一次沖擊達(dá)到峰值時(shí)間分別為0.575 s、0.55 s及0.925 s，對(duì)防波板1產(chǎn)生的側(cè)向力Fy分別為13 998.11 N、9 307.95 N及6 901.84 N。因此，在罐體裝載介質(zhì)、防波板結(jié)構(gòu)、制動(dòng)加速度以及轉(zhuǎn)向離心加速度不變時(shí)，適當(dāng)增加罐內(nèi)液面高度，即罐內(nèi)液體的量適當(dāng)增多，有利于減小罐內(nèi)液體對(duì)每塊防波板沖擊晃動(dòng)形成的側(cè)向力Fy峰值。

3.4 不同液面高度沖擊封頭與防波板產(chǎn)生的最大主應(yīng)力

圖6為不同時(shí)刻不同液面高度沖擊封頭與防波板最大主應(yīng)力云圖；圖7為不同時(shí)刻不同液面高度最大主應(yīng)力數(shù)值變化。可以看出，當(dāng)罐內(nèi)液面高度為1.10 m時(shí)，晃動(dòng)沖擊形成的最大主應(yīng)力逐漸增大，沒有呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律；且在2.0 s時(shí)，前封頭與防波板受到主應(yīng)力最大值為60.18 MPa。結(jié)合圖4的氣-液兩相分布圖分析可知，在罐內(nèi)液面高度為1.10 m工況下，罐內(nèi)液體在2.0 s時(shí)沿著前封頭曲面運(yùn)動(dòng)高度最大，故形成的主應(yīng)力峰值最大。當(dāng)罐內(nèi)液面高度設(shè)為1.30 m、1.50 m 及1.70 m時(shí)，罐內(nèi)液體對(duì)封頭與防波板產(chǎn)生的最大主應(yīng)力第一次沖擊達(dá)到峰值時(shí)間分別為0.4 s、0.425 s及0.425 s，達(dá)到峰值時(shí)間差別非常??；最大主應(yīng)力達(dá)到二次沖擊峰值時(shí)間為1.30 s、1.25 s及1.20 s?？梢姡S著罐內(nèi)液面高度的增大，最大主應(yīng)力達(dá)到二次沖擊峰值時(shí)間稍微提前［10］。

當(dāng)罐內(nèi)液面高度為1.30 m時(shí)，封頭與防波板受到主應(yīng)力（第一次沖擊）最大值為120.18 MPa；并且，罐內(nèi)液體晃動(dòng)沖擊形成的最大主應(yīng)力呈現(xiàn)周期性變化，二次沖擊最大主應(yīng)力峰值較第一次沖擊主應(yīng)力峰值明顯減小。隨著罐內(nèi)液面高度的增加，封頭與防波板受到最大主應(yīng)力峰值逐漸減小，在罐內(nèi)液面高度為1.70 m時(shí)受到主應(yīng)力最大值為110.36 MPa。還可以看出，罐內(nèi)液體對(duì)封頭與防波板形成的最大主應(yīng)力位置均出現(xiàn)在防波板1的流通孔邊緣。因此，在罐體裝載介質(zhì)、防波板結(jié)構(gòu)、制動(dòng)加速度以及轉(zhuǎn)向離心加速度不變時(shí)，適當(dāng)增加罐內(nèi)液面高度，有利于減小罐內(nèi)液體對(duì)前封頭與防波板形成的最大主應(yīng)力。

3.5 不同液面高度沖擊封頭與防波板產(chǎn)生的總變形

圖8為不同時(shí)刻不同液面高度沖擊封頭與防波板總變形云圖；圖9為不同時(shí)刻不同液面高度總變形數(shù)值變化。根據(jù)圖8與圖9可以看出，當(dāng)罐內(nèi)液面高度為1.10 m時(shí)，液體晃動(dòng)沖擊形成的總變形數(shù)值并不是一直持續(xù)增大，即先增大，隨后減小，最后緩慢增大；在0.525 s時(shí)，封頭與防波板受到總變形最大值為0.821 3 mm；在1.075 siRccq7p3kIeNeJgmomLtFQ==時(shí)，封頭與防波板受到總變形最小值為0.625 1 mm。還可以看出，當(dāng)罐內(nèi)液面高度設(shè)為1.30 m、1.50 m及1.70 m時(shí)，封頭與防波板受到總變形呈現(xiàn)周期性變化，罐內(nèi)液體對(duì)封頭與防波板產(chǎn)生的總變形最大值分別為1.227 9 mm、1.186 6 mm及1.275 6 mm。并且，當(dāng)罐內(nèi)液面高度為1.70 m時(shí)，總變形達(dá)到第一次峰值時(shí)間為0.875 s，明顯推遲。

當(dāng)罐內(nèi)液面高度較低時(shí)，液體晃動(dòng)對(duì)封頭與防波板產(chǎn)生的最大主應(yīng)力與總變形較??；隨著液面高度從1.30 m增大到1.70 m，對(duì)封頭與防波板產(chǎn)生的總變形差值不明顯，罐內(nèi)液體對(duì)前封頭與防波板1產(chǎn)生的總變形較大，且總變形最大值位置均出現(xiàn)在防波板1的流通孔邊緣。由于每塊防波板厚度均為5 mm，罐體的前封頭、后封頭、所有防波板及筒體均為碳素鋼Q235，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，而液體晃動(dòng)沖擊對(duì)封頭與防波板產(chǎn)生最大主應(yīng)力為120.18 MPa、總變形為1.275 6 mm，該數(shù)值小于碳素鋼的屈服強(qiáng)度，表明該罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實(shí)際使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

a.罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)過程呈現(xiàn)出周期性變化，包括減速階段與自由晃動(dòng)階段。在受到激勵(lì)減速階段，罐內(nèi)液體產(chǎn)生的沖擊力較大，且離前封頭越近的防波板受到?jīng)_擊力峰值越大。在撤銷激勵(lì)的自由晃動(dòng)階段，罐內(nèi)液體產(chǎn)生的沖擊力明顯減小，隨著沖擊時(shí)間的延長(zhǎng)，罐內(nèi)液體產(chǎn)生的沖擊力不斷衰減。

b.在罐體裝載介質(zhì)、防波板結(jié)構(gòu)、制動(dòng)加速度以及轉(zhuǎn)向離心加速度不變時(shí)，適當(dāng)增加罐內(nèi)液面高度，即罐內(nèi)液體的量適當(dāng)增多，有利于減小罐內(nèi)液體對(duì)每塊防波板沖擊晃動(dòng)形成的側(cè)向力Fy峰值，有利于減小罐內(nèi)液體對(duì)封頭與防波板形成的最大主應(yīng)力，有利于推遲總變形達(dá)到峰值時(shí)間。

c.罐內(nèi)液體沖擊晃動(dòng)對(duì)前封頭、筒體、防波板以及后封頭產(chǎn)生的局部最大強(qiáng)度主要出現(xiàn)在前封頭與筒體的焊接處、防波板流通孔邊緣、后封頭與筒體的焊接處。因此，對(duì)于罐體內(nèi)部設(shè)置防波板時(shí)，應(yīng)該考慮避開罐體的各種開口和附件，且在液體沖擊晃動(dòng)形成的局部最大強(qiáng)度處考慮局部增強(qiáng)焊接。

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