城市洒水车在不同液面高度下对车和罐体连接部位的受力分析

朱天军+王晗

摘 要：以某型号洒水车为例，基于流固耦合的理论，通过Fluent以及Transient Structural对50%、60%、70%三种不同的液面高度下，在城市交通中加速和制动时液体晃动对车与罐体链接部位的受力进行分析，为设计人员提供数据参考。

关键词：罐车；洒水车；流固耦合；ANSYS；受力分析

中图分类号：U469.61 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0170-02

引言

随着我国城市化进程的不断提高，城市道路和社区不断的增多，伴随着近几年北方地区越来越严重的环境污染，加上人们环境意识的日益提高，人们对周围环境的质量要求的水平也越来越高，城市的街道一天至少要早晚两次洒水净化，一些大的城市社区、厂企也开始购置洒水车来净化周围的环境，给业主、工人一个良好的工作环境。在这种大的环境下，洒水车的需求愈来愈高。

城市和高速的路况不同，难免会遇到红绿灯或者行人等一些需要频繁启动，制动的路况，因此对车与罐体连接部位的耐久度产生巨大的影响。本文以某个罐车为研究对象，在其不同的液面高度的状况下，对加速和制动对其车与罐体的连接点的受力状况进行分析。

1 罐体有限元模型的建立

1.1 模型的简化

在建立有限元分析模型[1]时，忽略焊接工艺对罐体的影响，将整个罐体看成一个整体，为了简化计算，忽略罐体中小型构件对整个液体晃动的影响。基于以上原则建立罐体的模型，模型由前后封头以及筒体组成，前后封头为椭圆形，筒体长为2040mm，宽度为1040mm。高度为7040mm，壁厚20mm，材料为结构钢。

1.2 网格划分

将在geometry建立好的模型导入到Transient Structural中进行网格划分，划分时采用四面体网格。

1.3 约束模型的建立

由于本文只研究罐体在启动制动时罐体对车与罐体连接部位的受力情况，所以结合实际考虑，在底部建立约束，其中X方向为物体运动的方向。

1.4 工况设置

根据罐车的工作要求[2]，结合城市交通的实际，设置罐车的整个完整工况为8秒，其中0-6秒为加速，速度从0m/s-20m/s，6-8秒为减速，速度从20m/s-0m/s。

2 液体晃动模型的建立

进入workbench-Fluent，导入罐体模型，在Geometry中设置液体充满罐体[3]。为了研究装载量不同对连接点的受力，本文设置了3种不同液面高度的状况。分别为总高度的50%，60%，70%。罐体的上半部分为气体（空气），下半部分为液体（水）。进入setup设置，具体步骤如下：

（1）分析设置类型为瞬态，定义重力加速度为z轴负方向。

（2）模型设置为多向流VOF模型，湍流模型设置为可实现的k-ε模型，設置动网格。

（3）采用打补丁的方式定义液面高度（50%、60%、70%）。

（4）定义时间步，迭代次数等。

将Fluent中设置好的3种不同液面高度的液体分别和Transient Structural联合，导入到workbench中的系统耦合器（system couplin）进行分析计算，得出罐体与车连接部位的受力曲线如下列图所示。

由图像得出3种不同液面高度分别在加速阶段受到最大的力为0.1s时的受力，减速阶段受到的最大力为6.02秒时的受力。

3 罐体防晃板

在外部激励下，罐内液体的晃动会对罐体壁面产生冲击力和冲击力矩，特别是在罐车转向时，由于液体横向晃动可能会导致侧翻力矩的急剧增大，当侧翻力矩增大到一定阀值时会导致侧翻等事故的产生。因此目前在罐车设计时通常会在罐体内部安装防晃板来抑制液体的晃动。

3.1 模型建立

目前国内罐车大多安装横向防晃板，即防晃板面垂直于罐体的轴向，而很少安装纵向防晃板。如图4所示。

3.2 分析仿真

利用ANSYS软件对液面高度为50%的承载进行分析，工况设置与上文完全相同。图5为连接部位在罐体安装防晃板的状况下的受力曲线图。

4 结束语

（1）使用Fluent可以分析出罐车晃动时液体对车内的受

力，还可以比较精确的掌握各个时间点受力大小，这是传统的解析法做不到的。

（2）由启动加速制动减速的工况可以得出，启动加速阶段YZ方向的受力几乎可以忽略不计，制动减速阶段YZ方向会受到液体晃动的影响从而产生较大的力，但在液面高度为70%时YZ方向在制动减速阶段的受力变得很小。

（3）随着液面高度的提升在加速阶段受到的总力越来越

小，减速阶段受到的总力越来越大。

（4）在同等装载量的情况下，有防晃板与没有防晃板相比较，有防晃板的罐体受力要稳定得多，有利于车辆的稳定性。

参考文献：

[1]龚曙光.ANSYS基础应用范例解析[M].北京：机械工业出版社，2003，1：29-160.

[2]Jiang Z， Harrisonl DK，Cheng K.An integrated concur-rent engineering approach to the design and manufacture of complex components[J].Thenter- national Journal of Advanced Manufacturing technology，2002，20（1）：319-325.

[3]陈哲.高建和液罐车车体制动工况下的仿真分析研究[J].机械工程与自动化，2016，03.

[4]M.Ibrahim and D. A. Crolla. A Novel Hybrid Roll Control Strategy for Partially Loaded Tanker Trucks. SAE Paper，3351-3386.

[5]高炳军，尚文成，等.防波板位置对罐车制动时防波效果的影响[J].河北工业大学学报，2012，41（3）：67-75.endprint