基于流固耦合的大型矿用洒水车矿区行驶防浪涌分析

金 斌，姜永正，戴德志，李梅龙

1湘电重型装备有限公司 湖南湘潭 411100

2湖南科技大学 湖南湘潭 411201

大 型露天矿山作业环境灰尘多，严重影响到矿山作业设备的使用以及工作人员的身体健康，因此，矿山需要配备一种装载量大、喷洒效果好、工作效率高且行驶稳定性好的大型矿山洒水车，以满足矿山作业环境的除尘要求。

大型矿山洒水车主要由水箱总成、水路系统、气路系统、液压系统和电气系统等部分组成，适用于矿山矿场道路洒水喷雾，降尘、消防灭火、输送工业用水。洒水车工作时的安全稳定性主要取决于水箱的设计，因此笔者将对洒水车水箱的结构运行安全性以及稳定性进行分析，研究何种工况条件下对水箱结构的强度及稳定性影响最大。

水箱内液体冲击的主要研究方法有准静态方法[1]、流体动力学法[2-3]、等效机械模型法试验[4-6]和仿真方法[7-8]。液体浪涌与洒水车在转向、紧急制动等工况下的稳定性一方面与车辆整体结构布局、悬架、轮胎、质心位置等自身设计参数有关外，另一方面也与罐内液体的晃动情况有密切关系[9-10]。目前，防止浪涌现象的方法一般有添加隔板[11]或者防波板[12]，也有研究使用一种弹性膜[13]对液面晃动进行抑制。根据对实际工作环境的考虑，以及各种方法的可行性分析，判定采取隔板的方法对浪涌现象进行抑制，并开展相关仿真工作。以一款容积为 120 m3电动轮洒水车水箱为研究对象，采用 ANSYS 软件对该水箱工作时的各种不同工况进行仿真分析。考虑到其装载的工作介质是水，在行驶过程中，任何改变车辆运行状态的因素都会导致箱体中的水产生浪涌，从而在水箱中产生冲击，使水箱及其隔板受到冲击载荷的作用。针对匀速、转弯、启停和过坑条件下的 8 种工况，进行水箱结构强度分析，研究不同工况对水箱结构强度的影响。

1 水箱的结构及主要参数

1.1 水箱设计

选取 SF32601 型洒水车作为搭载车辆，其基础参数如表 1 所列。

表1 SF32601 型洒水车基础参数Tab.1 Basic parameters of SF32601 sprinkling vehicle

1.2 水箱结构

水箱采用隔板设计，内部设有纵横隔板，用以减轻浪涌对水箱壁的冲击，隔板底部有通孔，便于水在水箱中的流动。水箱结构模型如图 1 所示。

图1 水箱结构模型Fig.1 Model of tank structure

1.3 材料参数

水箱板材材料为 Q355，其力学性能如表 2 所列。

表2 Q355 力学性能Tab.2 Mechanical property parameters of Q355

2 水箱流固耦合有限元分析

2.1 水箱典型工况

SF32601 型洒水车主要用于澳洲矿区，结合澳州重卡行驶规范手册《LOADRESTRAINT 2018》，以澳洲矿区的实际路况进行有限元分析，充分考虑了行驶过程中的常规匀速、转弯、刹车等工况，各工况如表 3 所列。

表3 工况计算列表Tab.3 Calculation in various operation modes

在考虑侧向离心力作用时，取转弯行驶速度为30 km/h，转弯半径为 12.5 m，由此计算侧向加速度为 5.51 m/s2。重力加速度设为 9.8 m/s2。

在工况 8 情况下，同时考虑了转弯以及制动工况。考虑侧向离心力作用，取转弯行驶速度为 15km/h，转弯半径为 12.5 m，由此计算侧向加速度为1.39 m/s2，行驶方向加速度取 -2.1 m/s2。

2.2 水箱流固耦合有限元建模

2.2.1 水箱建模

结合水箱整体尺寸，由于水箱板材主体尺寸远大于厚度方向尺寸，故在有限元软件 ANSYS/LS-DYNA中决定采用壳单元 Shell163 对水箱板结构进行离散分析。水箱模型如图 2 所示。

图2 水箱模型Fig.2 Tank model

2.2.2 流体建模

水箱主要承受 120 m3水重力载荷，水结构模型设定为实体 ALE 单元，考虑到水箱内流体涉及到水和空气 2 种流体介质，采用多物质 ALE 算法进行求解，单元算法采用单点 Euler/ALE 多物质单元算法。多物质单元是指这种单元划分的网格中，允许多种物质的流动，在同一个网格中，可以包含多种材料的物质，因此，求解物质在网格仿真模型中的流体材料包括水和空气 2 种介质，建模时将二者间处理为共面，划分网格时 2 种材料间即为共节点。水和空气均采用Null 材料模型，采用 Gruneisen 状态方程。流体网格划分如图 3 所示。

图3 流体网格划分Fig.3 Mesh generation of fluid

2.3 各工况下边界条件

2.3.1 行驶工况约束

在前 6 种工况下水箱约束方式相同，水箱行驶工况约束如图 4 所示。水箱底部纵梁直接与橡胶垫之间定义接触，举升支座处由于安装有液压缸支撑，故约束其垂向位移，斗销孔处与车架之间定义转动副进行约束，4 个悬架支点进行零位移约束。

图4 水箱行驶工况约束Fig.4 Constraints of tank in various operation modes

2.3.2 过坑工况约束

第 7 种工况即过坑工况，约束方式与前 6 种工况的区别在于：释放前左位置的悬架约束，同时施加垂向 200 mm 位移。过坑位移曲线如图 5 所示。

图5 过坑位移曲线Fig.5 Variation curve of displacement in pit-crossing operation mode

3 结果与分析

8 种工况下水箱的计算结果如表 4 所列。由表 4可知，最大应力工况为工况 1，位置在隔板开孔处，工况 1 的安全系数最小，对水箱冲击影响最大。

表4 8 种工况下的最大应力及分布Tab.4 Maximum stress and distribution in eight operation modes

不同工况下，水箱内水的最大流速如图 6 所示。在工况 7 水箱处于过坑工况，水箱内水流速度最大为9 897 mm/s。工况 7 状态下的水流形态及流速分布如图 7 所示。

图6 水箱内水的最大流速Fig.6 Maximum flow velocity of water in tank

图7 水流形态及流速分布Fig.7 Water flow morphology and velocity distribution

8 种工况下，水箱的整体侧向位移最大出现在工况 7，如图 8 所示。在工况 7 的工作条件下，水箱的侧向位移最大为 93.2 mm。工况 7 的水箱侧向位移分布如图 9 所示。

图8 水箱最大侧向位移Fig.8 Maximum lateral displacement of tank

图9 水箱侧向位移分布Fig.9 Lateral displacement distribution of tank

由图 6 可知，过坑工况水的流速最大，达 9.9 m/s，但是其流速是由于水箱整体向下做刚体位移导致的，因此对结构产生的应力并非最大。此外，在转弯时水的流速也较大，此时水向侧向移动，对纵隔板及侧板产生冲击，从而导致纵隔板与底板的焊缝处出现最大应力。在制动及启动工况中，水对横隔板及前后板会产生冲击，但是由于制动及启动的加速度小于转弯加速度，所以制动及启动工况的应力小于转弯工况。

8 种工况下，水箱隔板、盖板以及底板的最大应力如图 10 所示。隔板上的应力最大出现在工况 1，为275 MPa，也是水箱整体的最大应力；盖板最大应力出现在工况 7，为 264 MPa；底板的最大应力也出现在工况 7，为 164 MPa。

图10 水箱最大应力Fig.10 Maximum stress of tank

通过对比各工况对水箱侧向位移、流速、应力的影响，发现转弯工况和过坑工况对各项参数影响显著；对比工况 1 与工况 8，转弯时制动减速可明显减小水箱内隔板的应力集中；底板在各工况下，应力相对较小。

4 结语

在 8 种典型行驶工况下，通过洒水车水箱内部浪涌对结构影响的对比分析可知：

（1) 转弯工况下，水箱内水对箱体的影响尤为明显，水箱隔板的应力很大，且随着充液比的提高，水箱内部隔板的应力也随之增大。

（2) 过坑工况下，水箱的最大侧向位移较其他工况下会有明显增大，且该工况下水箱的最大应力为265 MPa。

（3) 水箱在洒水车做转向运动时，其最大应力分布在水箱内隔板处，制动、启动、过坑工况时，其最大应力主要分布在水箱盖板上。

（4) 为保障洒水车的正常工作，水箱及洒水车设计时，应充分考虑转向与过坑工况对水箱结构以及车辆稳定性的影响，并且车辆转向时，应适当降低车速。