基于流固耦合的半挂液罐车罐体结构分析

王欣　戴汝泉　刘盛强　张竹林　燕荣杰

摘要：为了研究半挂液罐车罐内液体晃动对罐体的影响，本文利用有限元软件workbench，并采用单向流固耦合方法分析了在不同充装比下罐壁的受力分布。仿真分析得出：当充液比为50%时液体的晃动较为明显，但当充液比为90%时罐体所受应力值较大。

关键词：半挂液罐车；液体晃动；流固耦合；应力

1.前言

由于液体物质的惯性和流动性，液体在运输过程中，加速或上坡会使液体往后飘；减速或下坡会使液体往前飘；车辆在转弯、侧倾、制动以及较差路面上行驶都会使液体发生不同的波动。这种液体波动冲击不仅会对罐体产生极大的破坏作用，还会给车辆的正常行驶造成干扰，降低车辆的安全性。因此，对液罐运输车液体晃动进行分析非常重要。

國内和国外关于罐内液体晃动的现象都做过许多研究，但在实用方面的探究还是停留在基础的贮箱结构层面。王惠明等人研究了液罐车在运输过程中发生紧急情况而采取制动措施后达到稳定状态时内部液体惯性力对贮液容器器壁受的冲击作用。

2.分析模型的建立

为分析罐式运输车在不充满、紧急制动工况下的受力分布，通过Pro/E建立某半挂液罐车罐体的实体简化模型，并以ANSYS软件为分析平台，对实体简化模型进行前处理操作，把创建的实体模型转化成有限元分析模型，为后续的数值分析做铺垫。

2.1实体模型的建立

利用Pro/E绘图软件建立半罐液罐车的罐体简化实体，该罐体是由钢板卷焊而成的空间板壳结构，由简体，封头，防波板以及隔板组成，其横截面为椭圆形，前后简体由中间变截面椭圆形连接。罐体总长12450mm，宽2480mm，高2180mm，壁厚6mm。

罐式运输车罐体结构材料（如防浪板）均是碳素结构钢Q235，弹性模量为2.06×105Mpa，泊松比为0.3，屈服强度为2.35×102Mpa，密度是7800kg/m3。

为了简化实体模型，在保证力学性质的前提下，对罐体模型做一些简化，简化后模型的剖面图如下图1.1所示。

2.2有限元网格划分

在创建有限单元模型时，需对实体进行网格划分。

由于条件限制，采用整体网格划分方法的计算机计算量太大，因此在保证结果的基础上，为了降低计算量对有限元模型进行简化：

第一，在罐体模型中隔板将液罐体隔成两个单室，然后在每个单室中加入若干个防浪板，因此，可以数值仿真一个单室来代替整体模型的仿真分析。

第二，虽然半罐液罐车罐体形状为变截面，但罐体前后段的支撑重力方式不同，对仿真分析结果影响很小，因此将半挂车多腔室罐体转化成双腔室椭圆形罐进行分析，经前处理操作后的有限元模型如图1.2。

2.3求解方法设置

本文基于单向流固耦合分析方法对罐体的结构进行分析，使用VOF多相流方法定义自由液面，选用k-s湍流模型进行仿真分析，并选择PISO算法处理速度压力耦合。

3.仿真结果及分析

本文对充液比分别为30%，50%及90%三种情况下的半挂液罐车在紧急制动情况下由于液体晃动对罐体产生的作用力进行仿真研究。

3.130%充液比的分析结果

半挂罐式运输车充液比为30%，制动前车速是90m/s，制动时开始计时t=0，制动减速度是5.08m/s2，施加在z轴正方向。通过仿真分析得出罐体的应力分布图。

由图2.1和图2.2可以看出罐体前封头的边缘处应力值最大。防浪板的卸料孔出的应力值也较大。罐体的后封头表现出受力较小的情况，罐体简体的应力值沿z轴正方向逐渐增加。

3.250%充液比分析结果

初始条件和充液比为30%的参数设置相同。该充液比下，液体已经超过防浪板的人孔位置，防浪板的缓冲作用更加明显。

由图2.3可以看出中部防波板的受力最为明显，达到应力的最大值，而后封头应力变化则较小。这是因为尽管液体有一定的冲击，但由于中部防波板的存在，对液体的冲击作用形成了很大一部分缓冲作用。由图2.4可看出筒体的应力和充液比为30%表现出相同的情况，但数值要明显大得多，应力高出一倍，这表明充液比为50%时要比充液比为30%时危险。

3.390%充液比的分析结果

由于液罐车装载时，并不是百分之百充满，考虑到液体的膨胀系数、温度、工况等因素，充液比为90%时即认为是满载。

从图2.5，图2.6可以看出最大应力出现在前封头与简体交界处，防波板，应力分布情况和30%充液比的应力分布情况相差不大，但应力值较大，对结构造成一定的威胁。

4.结论

通过对30%充液比，50%充液比及90%充液比三种不同的工况的仿真分析，得出当充液比为50%时液体的晃动最比30%充液比下的液体晃动明显；而当充液比为90%时，由于罐体上部空气很少，液体随着罐体一起运动，因此液体晃动程度较前两种情况较小，但是整个罐体所受应力值较大，对罐体结构造成一定危害。