朱天軍+王晗

摘 要：以某型號灑水車為例，基于流固耦合的理論，通過Fluent以及Transient Structural對50%、60%、70%三種不同的液面高度下，在城市交通中加速和制動時(shí)液體晃動對車與罐體鏈接部位的受力進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)人員提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：罐車；灑水車；流固耦合；ANSYS；受力分析

中圖分類號：U469.61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0170-02

引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷提高，城市道路和社區(qū)不斷的增多，伴隨著近幾年北方地區(qū)越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染，加上人們環(huán)境意識的日益提高，人們對周圍環(huán)境的質(zhì)量要求的水平也越來越高，城市的街道一天至少要早晚兩次灑水凈化，一些大的城市社區(qū)、廠企也開始購置灑水車來凈化周圍的環(huán)境，給業(yè)主、工人一個(gè)良好的工作環(huán)境。在這種大的環(huán)境下，灑水車的需求愈來愈高。

城市和高速的路況不同，難免會遇到紅綠燈或者行人等一些需要頻繁啟動，制動的路況，因此對車與罐體連接部位的耐久度產(chǎn)生巨大的影響。本文以某個(gè)罐車為研究對象，在其不同的液面高度的狀況下，對加速和制動對其車與罐體的連接點(diǎn)的受力狀況進(jìn)行分析。

1 罐體有限元模型的建立

1.1 模型的簡化

在建立有限元分析模型[1]時(shí)，忽略焊接工藝對罐體的影響，將整個(gè)罐體看成一個(gè)整體，為了簡化計(jì)算，忽略罐體中小型構(gòu)件對整個(gè)液體晃動的影響?；谝陨显瓌t建立罐體的模型，模型由前后封頭以及筒體組成，前后封頭為橢圓形，筒體長為2040mm，寬度為1040mm。高度為7040mm，壁厚20mm，材料為結(jié)構(gòu)鋼。

1.2 網(wǎng)格劃分

將在geometry建立好的模型導(dǎo)入到Transient Structural中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)采用四面體網(wǎng)格。

1.3 約束模型的建立

由于本文只研究罐體在啟動制動時(shí)罐體對車與罐體連接部位的受力情況，所以結(jié)合實(shí)際考慮，在底部建立約束，其中X方向?yàn)槲矬w運(yùn)動的方向。

1.4 工況設(shè)置

根據(jù)罐車的工作要求[2]，結(jié)合城市交通的實(shí)際，設(shè)置罐車的整個(gè)完整工況為8秒，其中0-6秒為加速，速度從0m/s-20m/s，6-8秒為減速，速度從20m/s-0m/s。

2 液體晃動模型的建立

進(jìn)入workbench-Fluent，導(dǎo)入罐體模型，在Geometry中設(shè)置液體充滿罐體[3]。為了研究裝載量不同對連接點(diǎn)的受力，本文設(shè)置了3種不同液面高度的狀況。分別為總高度的50%，60%，70%。罐體的上半部分為氣體（空氣），下半部分為液體（水）。進(jìn)入setup設(shè)置，具體步驟如下：

（1）分析設(shè)置類型為瞬態(tài)，定義重力加速度為z軸負(fù)方向。

（2）模型設(shè)置為多向流VOF模型，湍流模型設(shè)置為可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型，設(shè)置動網(wǎng)格。

（3）采用打補(bǔ)丁的方式定義液面高度（50%、60%、70%）。

（4）定義時(shí)間步，迭代次數(shù)等。

將Fluent中設(shè)置好的3種不同液面高度的液體分別和Transient Structural聯(lián)合，導(dǎo)入到workbench中的系統(tǒng)耦合器（system couplin）進(jìn)行分析計(jì)算，得出罐體與車連接部位的受力曲線如下列圖所示。

由圖像得出3種不同液面高度分別在加速階段受到最大的力為0.1s時(shí)的受力，減速階段受到的最大力為6.02秒時(shí)的受力。

3 罐體防晃板

在外部激勵(lì)下，罐內(nèi)液體的晃動會對罐體壁面產(chǎn)生沖擊力和沖擊力矩，特別是在罐車轉(zhuǎn)向時(shí)，由于液體橫向晃動可能會導(dǎo)致側(cè)翻力矩的急劇增大，當(dāng)側(cè)翻力矩增大到一定閥值時(shí)會導(dǎo)致側(cè)翻等事故的產(chǎn)生。因此目前在罐車設(shè)計(jì)時(shí)通常會在罐體內(nèi)部安裝防晃板來抑制液體的晃動。

3.1 模型建立

目前國內(nèi)罐車大多安裝橫向防晃板，即防晃板面垂直于罐體的軸向，而很少安裝縱向防晃板。如圖4所示。

3.2 分析仿真

利用ANSYS軟件對液面高度為50%的承載進(jìn)行分析，工況設(shè)置與上文完全相同。圖5為連接部位在罐體安裝防晃板的狀況下的受力曲線圖。

4 結(jié)束語

（1）使用Fluent可以分析出罐車晃動時(shí)液體對車內(nèi)的受

力，還可以比較精確的掌握各個(gè)時(shí)間點(diǎn)受力大小，這是傳統(tǒng)的解析法做不到的。

（2）由啟動加速制動減速的工況可以得出，啟動加速階段YZ方向的受力幾乎可以忽略不計(jì)，制動減速階段YZ方向會受到液體晃動的影響從而產(chǎn)生較大的力，但在液面高度為70%時(shí)YZ方向在制動減速階段的受力變得很小。

（3）隨著液面高度的提升在加速階段受到的總力越來越

小，減速階段受到的總力越來越大。

（4）在同等裝載量的情況下，有防晃板與沒有防晃板相比較，有防晃板的罐體受力要穩(wěn)定得多，有利于車輛的穩(wěn)定性。

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