液体箱的流固耦合及结构优化分析

沙鹏

摘  要：该文以液体箱的流固耦合及其结构优化分析为主要研究对象，在探讨液体箱液体晃动水击过程模拟状态及结果计算的基础上，深入梳理液体晃动冲击对液体箱罐体力学响应的重要影响，在此基础上优化改良液体箱的结构设计。

关键词：液体箱;流固耦合;结构优化

中图分类号：U469.61          文献标志码：A

0 引言

液体箱具备运输方式多种多样、水路连通、既可做运输工具又可做存储工具等诸多优势，更能够凭借其安全可靠性和灵活便捷性为工业生产提供重要技术支撑。因此，对液体箱的流固耦合及其结构优化进行分析研究具备重要意义。

1 液体晃动水击过程模拟与结果

该文以带有防波板的液体箱为模型，根据我国液体箱的实际应用情况，规定液体箱实际运行初速度为16.66 m/s，进一步将液体箱的液体操作压力取值界定为101.325 kPa，规定液体箱的实际充装率为85%。在该基础上，对液体箱的液体晃动水击内壁压力强度大小进行模拟研究，研究结果显示，在液体箱的初始制动阶段，汽车惯性力作用下的液体箱内液体向前涌动，而在液体箱关闭阻碍后向后涌动。整个过程中，液体箱内的液体将会对液体箱内壁产生较大的水击压力，其最大液体晃动水击压力为2.1 MPa，大概率下作用于液体箱的前半部分。当液体罐车停止运行后，液体箱内液体还会微小的前后晃动，此时液体箱内壁最大压强值逐步接近静水压强值，图1即为压强随刹车时间变化的示意图。

2 液体晃动冲击对液体箱罐体力学响应的影响

液体箱实际计算压力值大小不应小于液体箱设计压力和液体箱罐体在整个运输过程中所承受的介质惯性力的等效压力和，在该条件制约下，该文研究了液体箱实际制动过程中罐体内液体晃动水击压力值大小对整个液体箱的罐体力学响应影响，并对不同类别的应力值大小进行分类校核和强度分析。首先，根据液体箱液体晃动冲击对液体箱罐体力学响应影响因素分析构件力学模型，再结合液体箱结构特点和应力特征的基础上，对液体箱内冲击力较大的罐体前半部分进行深入研究和计算[1]。

在梳理液体晃动冲击对液体箱罐体力学响应影响的过程中，该文首先对液体液体箱的整个罐体结构和功能尺寸大小进行分析，根据液体箱的结构特点和液体箱运行过程中的荷载承受极限及其承受规律，对液体箱的罐底结构尺寸和整体模式进行计算，图2即为液体箱结构尺寸示意图。其次，对液体箱在运行过程中的位移边界条件和力学边界条件进行分析。就液体箱的位移边界条件问题来说，由于液体箱的整个支撑圈和液体箱的罐体框架结构相连，端面处在水平方向、水平方向的垂直方向以及结构面竖直方向上的位移均为零，而液体箱的框架与筒体连接处整个框架结构体系对罐体筒体垫板的作用力分析可知，可将框架对垫板作用力视为与水平方向相垂直方向上的位移约束，且该约束大小值为零。

就液体箱的力学边界条件约束问题来说，由于液体箱在整个液体运行过程中的设计压力较小，而液体箱的箱体自重压力为333.2 kN，整个作用于液体箱中心的对称结构面上。同时，液体箱在实际运输过程中的动荷载作用往往也同样集中于液体箱的箱体重心的对称面上，并进一步将运输过程中的动荷载作用转化为集装箱重心的对称面表面的等效压力。根据液体箱力学计算相关标准及其行业规范，液体箱在整个运输过程中的荷载组合可进一步分4个类别。第1类别的液体箱荷载为计算压力加罐体自重加液体箱运行过程中的纵向惯性力大小，该纵向惯性力大小为液体箱额定承载质量与2倍重力加速度值的乘积。第2类别的液体箱荷载值为计算压力加液体箱运行过程中水平方向的惯性力大小，而罐体水平方向上的惯性力大小为额定质量与1倍加速度值相乘所得的动荷载大小。第3类别液体箱计算荷载为计算压力加上液体箱垂直向上方向的惯性力大小，该类垂直向上方向的慣性力大小往往为液体箱额定质量乘以1倍加速度值的动荷载值大小[2]。第4类液体箱荷载为计算压力值大小加液体箱垂直向下方向的惯性力大小，该垂直向下方向的惯性力大小是液体箱的额定质量乘以2倍加速度的动荷载值。

以液体箱第3类别的计算压力值和垂直向上方向的惯性力大小值这一运输过程中的荷载组合情况为研究对象可知，按国家相关标准规定，将液体箱的最大应力界定为215.36 MPa，以液体箱的设计应力和液体箱运输过程中液体晃动水击内壁造成的压力值之和作为整个液体箱设计压力值，液体箱在此荷载组合情况下的最大应力值为298.5 MPa，其危险截面比规范规定的最小等效压力值进行液体箱的罐体强度设计截面大，图3即为某一危险截面应力曲线图。

最后，总结液体晃动冲击对液体箱罐体的力学影响结果可知，在流体体积法理论支撑下，对液体箱在运行过程中的晃动冲击影响过程进行探讨与梳理，得到液体箱内壁水击压力设计受刹车过程及罐车运行速度变化情况的影响，在最大水击压力工作条件下，利用相关软件对液体箱进行应力应变分析，并根据应力分析结果对液体箱进行分类和应力强度评定。在液体箱制动过程中，罐体内壁所受晃动水击压力大小随着刹车时间的不断延长而随之变化。其中，液体箱整个过程液体晃动水击内壁压力值大小可高达2.1 MPa，在液体箱的前半部分发生。另一方面，由于液体箱液体晃动过程实际所产生的水击压力值远远大于计算标准的下限值，且会对液体箱的罐体产生一定应力应变影响。因此，按照液体箱刹车制动过程的水击晃动特性计算液体箱内壁压力值大小，可在标准计算最大应力值的基础上增加40%左右，而标准液体箱设计压力与其等效压力值之和的计算压力，能满足罐体各部分的应力应变要求。但是，以罐体设计压力和水机晃动内壁压力之和作为液体箱的最终计算压力并不能满足强度支撑，很容易使液体箱的支撑圈和封头连接处表面应力值大于许用应力值而影响液体箱的安全运输。

3 集装箱罐体结构优化

在液体箱的罐体结构优化过程中，使用全新的液体箱专利技术，在保证液体箱结构安全和强度可靠的基础上，取消液体箱传统模式下的上下梁结构设计，以底侧梁结构设计为主要连接部件，将液体箱的角件和液体箱整个罐体紧密联合，改善传统模式下液体箱整体受力不均匀的外在条件，使液体箱的横梁受力面能够保持在同一垂直面范围内，减少液体箱结构自重的基础上，简化液体箱的制造工艺和液体箱的焊接点数量。另一方面，在原有的液体箱连接圈与罐体的连接部位，取消传统模式的焊接过渡支撑构件，改用连接圆筒将液体箱的罐体和罐体框架的前后端框紧密焊接，保证液体液体箱制造方便的同时，有效改良液体液体箱的整个受力情况，降低液体箱自重达到节能环保。

4 结论

总之，随着近年来国民经济的快速发展和我国铁路网、公路网甚至水路运输等交通网络体系的不断完善，石油化工原材料、液化天然气LNG等利用液体箱进行高效率的运输，不断降低单位运输成本，凭借其较良好的安全可靠性和维护便捷性，在工业生产和区域经济发展过程中做出了重要贡献。液体箱的进一步应用和产品技术研发水平的提升，将会给石油化工、天然气等的高效率运输注入更强大的活力，具备较为广阔的市场应用前景。

参考文献

[1]谭磊.20ft液化气体罐式集装箱的设计[J].能源研究与管理，2016（4）：70-72.

[2]周国发，孙丽娜.基于流固耦合作用的罐式集装箱强度分析[J].南昌大学学报（工科版），2012，34（2）：111-114.