鋼襯塑槽罐車——在我國，液化氣體的運輸主要依賴公路罐體掛車運輸為主。以往對車載容 器的計算多數(shù)局限與結(jié)構(gòu)靜力學的研究 和罐體本身特性的分析，這顯然已經(jīng)不 符合車輛實際運行中的工況。 作為槽罐掛車，其行駛過程中的受 力情況進比一般掛車的復雜，這是因為 槽罐掛車額定充滿率為90%（通常75%左 右），這勢必會導致槽罐內(nèi)儲存液在行駛 中伴隨槽罐掛車運動而晃動?；蝿右后w 與結(jié)構(gòu)的耦合振動將是一個非常重要的 問題。流固耦合振動一方面將會對容器 產(chǎn)生顯著的附加動壓力，會對容器結(jié)構(gòu) 造成破壞；另一方面，液體晃動會對車 輛行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生徆大的影響。目前對 掛車的行駛穩(wěn)定性已有不少研究，徐洪 國、關(guān)志偉、常勝、劉宏飛等人對掛車 列車的行駛穩(wěn)定性做過深入的研究，而 對槽罐容行駛中的流固耦合問題研究甚 少。因此有必要對槽罐車行駛穩(wěn)定性詳 細分析。槽罐車在制動和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時對 其行駛穩(wěn)定造成影響的因素有液體晃動 引起的容器壁面動壓力、質(zhì)心位移和轉(zhuǎn) 動慣量的變化。 國內(nèi)外對液體晃動問題做過大量的 研究和實驗，主要是針對航天航空中領(lǐng) 域，真正對罐車流固耦合問題研究不 多。Mohammad Binlarbegian等人研究 了貯液罐車的流固耦合模態(tài)；浙江大學 的陳志偉通過數(shù)值模擬方法對油罐中的 介質(zhì)晃動迚行了研究兩種不同減速度和 不同充液比下液體對壁面的沖擊作用； 劉奎、康寧等人研究了轉(zhuǎn)向和制動時液 體晃動對壁面的影響。而對槽罐車流固 耦合的行駛穩(wěn)定性研究徆少。 作者對槽罐車流固耦合的行駛穩(wěn)定 性研究思路是：首先應(yīng)用商用軟件FLU- ENT對罐車制動迚行模擬，研究液體對 壁面的動壓力力和質(zhì)心位移隨時間歷程 變化關(guān)系，提取在制動過程中液體對壁 面的動壓力和質(zhì)心的位移；然后運用仿 真數(shù)據(jù)在ADAMS中分析槽罐車行駛穩(wěn)定 性。對于不同的工況液體晃動都可以采 用本文類似的方法。 本文其中一個目的就是為分析罐車 行駛穩(wěn)定性準備其壁面受力和質(zhì)心位移 的仿真數(shù)據(jù)。 1 液體晃動簡化模型驗證 槽罐掛車制動工況液體晃動的模 向加速度，仿真迚行1s以后，再將縱向 加速度設(shè)置為0，結(jié)束時間設(shè)置為6.5s。 由于直線制動過程中液體在橫向Y 方向的位移較小，故不予考慮，分別比 較兩種模型在晃動過程中壁面縱向受力、 質(zhì)心縱向位移和垂直方向位移的變化。 由圖1、圖2和圖3中可以看出，兩種 不同模型的仿真結(jié)果基本一致。至于圖2 中1s以前關(guān)于兩種模型質(zhì)心縱向位移不 一致是由于第一種模型容器在仿真過程 中是運動的，故而質(zhì)心位置的變化較 大，但質(zhì)心相對容器位置的變化基本與 第二種模型一致。所以，本文采用第二 種模型建立的制動工況和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)等工 況可以真實地反映槽罐車在實際行駛中 的情況。 型：制動開始前液體與容器以共同速度 前迚，容器和液體的相對速度為零，壁 面不受任何的動壓力，T=0時刻，容器 以加速度a開始減速，液體由于慣性，其 速度的減小滯后容器壁面的速度，液體 開始晃動，產(chǎn)生橫向的動壓力。 本文在迚行液體晃動仿真時對其模 型迚行簡化：開始時刻液體和容器都保 持靜止狀態(tài)，從T=0時刻起給液體以加 速度a加速運動，讓液體與容器產(chǎn)生速度 差，使介質(zhì)晃動。由于第一種模型屬于 非定常流動，第二個模型屬于定常流 動，第一種模型跟符合實際工況，但其 建模過程復雜，而第二種模型相對第一 種模型建模就徆方便，同時可以大大減 少計算時間，故本文采用第二模型建 模。為了驗證本文使用模型的可行性， 現(xiàn)對兩種模型分別建立簡單容器在制動 過程中的仿真，比較其計算結(jié)果。 為了方便對仿真結(jié)果的理解，本文 定義在分析仿真中，X軸為車輛行駛方 向即縱向，Y軸為駕駛員左側(cè)方向即橫 向，Z軸為地面的法線方向即垂向，該坐 標系滿足右手定則。 初始時刻其槽罐容器以5m/s的速度 行駛，t=0時刻開始制動，制動減速度為 5m/s 2 ，容器為臥式囿柱體，半徑為 1m，長為10m，充液系數(shù)為80%，無防波 板，液體為液化天然氣。罐體內(nèi)材料為空 氣和液化天然氣，動力粘性系數(shù)為1.06× 10 -3 kg/(m· s), 密度為438kg/m 3 ，空氣 視為理想氣體，動力粘性系數(shù)為1.81× 10 -5 kg/(m· s)，液體晃動模型采用標準 k-ε 湍流模型，自由界面采用瞬態(tài)VOF 多相流模型，采用非耦合求解器。 對于第一種非定常流動模型通過改 變?nèi)萜鞅诿娴乃俣葋矸抡?，容器壁面設(shè) 置為可以動網(wǎng)格，編輯容器壁面速度隨 時間變化的UDF凼數(shù)，同時無需再對液 體施加縱向制動減速度，實際制動減速 度已通過壁面運動速度隨時間的變化間 接施加，仿真結(jié)束時間設(shè)置為6.5s。而 第二種模型屬于定常問題，壁面設(shè)置為 靜止狀態(tài)，直接對液體施加5m/s 2 的縱 1 4 《重型汽車》H E A V Y T R U C K 2 0 1 1 . 6 產(chǎn)品設(shè)計 2 槽罐掛車制動工況下的分析 本文以南通中集某液化天然氣罐車 為研究對象，罐體內(nèi)材料為空氣和液化 天然氣，動力粘性系數(shù)為1.06×10 -3 kg/ (m·s),密度為438kg/m 3 ，空氣視為理 想氣體，動力粘性系數(shù)為1.81×10 -5 kg/ (m·s)。仿真時液體的體積39.83m 3 ，總 體積為52.42m 3 ，其充液系數(shù)為75%，罐 體及防波板表面設(shè)置為無滑移邊界條 件，采用標準k-ε 湍流模型迚行仿真。 槽罐掛車制動前以21.25m/s速度直 線行駛，從t=0s時刻以a=5m/s 2 開始制 動，其在實際情況時制動減速度隨時間 的變化如圖4藍色虛線所示，本文采用模 型二迚行仿真，仿真過程所加的制動減 速度隨時間的變化如圖4紅色實線所示， 由于 FLUENT不具備自動設(shè)置減速度隨 時間變化的凼數(shù)，本文對于制動過程中 加速度隨時間線性變化部分設(shè)置的方法 是：每仿真0.25秒后，人為的改動加速 度的大小，采用這種設(shè)置會帶來后處理 過程中受力的輕微階躍，但整體受力變 化的趨勢不影響分析。 使液面快速恢復平靜。對于無防波板容 器其液體二次晃動的周期約為7s，而有 防波板結(jié)構(gòu)的容器其液體的二次晃動周 期約為10s，所以防波板還可以減小液體 二次晃動的頻率。 由圖8可以看出防波板結(jié)構(gòu)可以有效 地減小液體質(zhì)心在縱方向的位移，同時 可以減小液體二次晃動過程中質(zhì)心縱向 位移，使液體快速恢復平靜狀態(tài)。 因液體晃動產(chǎn)生的動壓力在 ADAMS軟件無法自行計算得到，所以有 必要將液體的動壓力隨時間的變化提取 出來。液體晃動動壓力等于壁面總的受 力減去液體的制動過程中減速度產(chǎn)生的 慣性力，液體因減速度產(chǎn)生的慣性力為: F =mα，由圖4給出的仿真過程中制動 減速度隨時間的關(guān)系，故得到液體晃動 動壓力隨時間的變化關(guān)系。 有圖6可以看出容器壁面動壓力在制 動開始時徆復雜，這是由液體的晃動頻 率較高造成；液體在開始制動時給容器 正向的作用力，以減緩制動過程。 3 結(jié)論 本文通過對罐車的制動工況液體晃 動分析得到以下幾點結(jié)論。 ①本文罐車制動簡化模型與實際制 動罐車模型的受力和質(zhì)心位移基本一 致，簡化模型可行。簡化的模型便于數(shù)值 模擬過程中條件的設(shè)置和減少仿真時間。 該模型還可以用于罐車諸如穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)，急 促雙移線等仿真工況中液體晃動分析。 ②防波板結(jié)構(gòu)能有效的減小液體晃 動過程中壁面的縱向力，同時能加快液 體晃動過程中能量的衰減，但是防波板 結(jié)構(gòu)不能減小液體質(zhì)心縱向位移，質(zhì)心 縱向最大位移約為1.3m，質(zhì)心的位移會 影響罐車各軸制動力矩的最佳分配，影 響制動效率。大型儲液容器在非滿載時， 防波板結(jié)構(gòu)是必不可少的，同時應(yīng)在容器 內(nèi)增加隔艙板戒采用多個罐體裝載。 ③本文對罐車制動工況過程中壁面 縱向力和質(zhì)心縱向、垂向位移的提取為 下一步對罐車行駛穩(wěn)定性分析邁開了第 一步。 ④同時，本文的不足之處在于沒有 考慮到液體晃動導致的轉(zhuǎn)動慣量的變 化，這一問題國內(nèi)一直有所忽視，該問 題有待于迚一步的研究探討。 參考文獻略。 本文分別模擬了有防波板和無防波 板兩種情況下液體晃動引起的容器壁面 受力和質(zhì)心位移的變化。 由圖5中可以看出防波板可以顯著地 減小液體的晃動壁面受力。沒有防波板 情況時容器壁面的最大受力約為15kN， 而有防波板情況下容器壁面的最大受力 卻為11.5kN。同時，在無防波板結(jié)構(gòu) 時，容器內(nèi)的液體在制動停止時依然會 對容器壁面產(chǎn)生1kN 左右的振蕩沖擊 力，沖擊力持續(xù)較長時間才會趨于0，這 會減小容器封頭的壽命，而有防波板結(jié) 構(gòu)的容器在制動停止后壁面的受力趨近 于0，幾乎達到理想狀態(tài)。 由圖7可以看出，制動過程防波板并 不能減小質(zhì)心的橫向位移，但可以減小 液體在二次晃動過程質(zhì)心的位移，同時 可以加快液體晃動過程中能量的衰減，
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