液體箱的流固耦合及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

沙鵬

摘? 要：該文以液體箱的流固耦合及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析為主要研究對象，在探討液體箱液體晃動水擊過程模擬狀態(tài)及結(jié)果計算的基礎(chǔ)上，深入梳理液體晃動沖擊對液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)的重要影響，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化改良液體箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：液體箱;流固耦合;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U469.61? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

液體箱具備運輸方式多種多樣、水路連通、既可做運輸工具又可做存儲工具等諸多優(yōu)勢，更能夠憑借其安全可靠性和靈活便捷性為工業(yè)生產(chǎn)提供重要技術(shù)支撐。因此，對液體箱的流固耦合及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行分析研究具備重要意義。

1 液體晃動水擊過程模擬與結(jié)果

該文以帶有防波板的液體箱為模型，根據(jù)我國液體箱的實際應(yīng)用情況，規(guī)定液體箱實際運行初速度為16.66 m/s，進(jìn)一步將液體箱的液體操作壓力取值界定為101.325 kPa，規(guī)定液體箱的實際充裝率為85%。在該基礎(chǔ)上，對液體箱的液體晃動水擊內(nèi)壁壓力強(qiáng)度大小進(jìn)行模擬研究，研究結(jié)果顯示，在液體箱的初始制動階段，汽車慣性力作用下的液體箱內(nèi)液體向前涌動，而在液體箱關(guān)閉阻礙后向后涌動。整個過程中，液體箱內(nèi)的液體將會對液體箱內(nèi)壁產(chǎn)生較大的水擊壓力，其最大液體晃動水擊壓力為2.1 MPa，大概率下作用于液體箱的前半部分。當(dāng)液體罐車停止運行后，液體箱內(nèi)液體還會微小的前后晃動，此時液體箱內(nèi)壁最大壓強(qiáng)值逐步接近靜水壓強(qiáng)值，圖1即為壓強(qiáng)隨剎車時間變化的示意圖。

2 液體晃動沖擊對液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)的影響

液體箱實際計算壓力值大小不應(yīng)小于液體箱設(shè)計壓力和液體箱罐體在整個運輸過程中所承受的介質(zhì)慣性力的等效壓力和，在該條件制約下，該文研究了液體箱實際制動過程中罐體內(nèi)液體晃動水擊壓力值大小對整個液體箱的罐體力學(xué)響應(yīng)影響，并對不同類別的應(yīng)力值大小進(jìn)行分類校核和強(qiáng)度分析。首先，根據(jù)液體箱液體晃動沖擊對液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)影響因素分析構(gòu)件力學(xué)模型，再結(jié)合液體箱結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)力特征的基礎(chǔ)上，對液體箱內(nèi)沖擊力較大的罐體前半部分進(jìn)行深入研究和計算[1]。

在梳理液體晃動沖擊對液體箱罐體力學(xué)響應(yīng)影響的過程中，該文首先對液體液體箱的整個罐體結(jié)構(gòu)和功能尺寸大小進(jìn)行分析，根據(jù)液體箱的結(jié)構(gòu)特點和液體箱運行過程中的荷載承受極限及其承受規(guī)律，對液體箱的罐底結(jié)構(gòu)尺寸和整體模式進(jìn)行計算，圖2即為液體箱結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。其次，對液體箱在運行過程中的位移邊界條件和力學(xué)邊界條件進(jìn)行分析。就液體箱的位移邊界條件問題來說，由于液體箱的整個支撐圈和液體箱的罐體框架結(jié)構(gòu)相連，端面處在水平方向、水平方向的垂直方向以及結(jié)構(gòu)面豎直方向上的位移均為零，而液體箱的框架與筒體連接處整個框架結(jié)構(gòu)體系對罐體筒體墊板的作用力分析可知，可將框架對墊板作用力視為與水平方向相垂直方向上的位移約束，且該約束大小值為零。

就液體箱的力學(xué)邊界條件約束問題來說，由于液體箱在整個液體運行過程中的設(shè)計壓力較小，而液體箱的箱體自重壓力為333.2 kN，整個作用于液體箱中心的對稱結(jié)構(gòu)面上。同時，液體箱在實際運輸過程中的動荷載作用往往也同樣集中于液體箱的箱體重心的對稱面上，并進(jìn)一步將運輸過程中的動荷載作用轉(zhuǎn)化為集裝箱重心的對稱面表面的等效壓力。根據(jù)液體箱力學(xué)計算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其行業(yè)規(guī)范，液體箱在整個運輸過程中的荷載組合可進(jìn)一步分4個類別。第1類別的液體箱荷載為計算壓力加罐體自重加液體箱運行過程中的縱向慣性力大小，該縱向慣性力大小為液體箱額定承載質(zhì)量與2倍重力加速度值的乘積。第2類別的液體箱荷載值為計算壓力加液體箱運行過程中水平方向的慣性力大小，而罐體水平方向上的慣性力大小為額定質(zhì)量與1倍加速度值相乘所得的動荷載大小。第3類別液體箱計算荷載為計算壓力加上液體箱垂直向上方向的慣性力大小，該類垂直向上方向的慣性力大小往往為液體箱額定質(zhì)量乘以1倍加速度值的動荷載值大小[2]。第4類液體箱荷載為計算壓力值大小加液體箱垂直向下方向的慣性力大小，該垂直向下方向的慣性力大小是液體箱的額定質(zhì)量乘以2倍加速度的動荷載值。

以液體箱第3類別的計算壓力值和垂直向上方向的慣性力大小值這一運輸過程中的荷載組合情況為研究對象可知，按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將液體箱的最大應(yīng)力界定為215.36 MPa，以液體箱的設(shè)計應(yīng)力和液體箱運輸過程中液體晃動水擊內(nèi)壁造成的壓力值之和作為整個液體箱設(shè)計壓力值，液體箱在此荷載組合情況下的最大應(yīng)力值為298.5 MPa，其危險截面比規(guī)范規(guī)定的最小等效壓力值進(jìn)行液體箱的罐體強(qiáng)度設(shè)計截面大，圖3即為某一危險截面應(yīng)力曲線圖。

最后，總結(jié)液體晃動沖擊對液體箱罐體的力學(xué)影響結(jié)果可知，在流體體積法理論支撐下，對液體箱在運行過程中的晃動沖擊影響過程進(jìn)行探討與梳理，得到液體箱內(nèi)壁水擊壓力設(shè)計受剎車過程及罐車運行速度變化情況的影響，在最大水擊壓力工作條件下，利用相關(guān)軟件對液體箱進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果對液體箱進(jìn)行分類和應(yīng)力強(qiáng)度評定。在液體箱制動過程中，罐體內(nèi)壁所受晃動水擊壓力大小隨著剎車時間的不斷延長而隨之變化。其中，液體箱整個過程液體晃動水擊內(nèi)壁壓力值大小可高達(dá)2.1 MPa，在液體箱的前半部分發(fā)生。另一方面，由于液體箱液體晃動過程實際所產(chǎn)生的水擊壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計算標(biāo)準(zhǔn)的下限值，且會對液體箱的罐體產(chǎn)生一定應(yīng)力應(yīng)變影響。因此，按照液體箱剎車制動過程的水擊晃動特性計算液體箱內(nèi)壁壓力值大小，可在標(biāo)準(zhǔn)計算最大應(yīng)力值的基礎(chǔ)上增加40%左右，而標(biāo)準(zhǔn)液體箱設(shè)計壓力與其等效壓力值之和的計算壓力，能滿足罐體各部分的應(yīng)力應(yīng)變要求。但是，以罐體設(shè)計壓力和水機(jī)晃動內(nèi)壁壓力之和作為液體箱的最終計算壓力并不能滿足強(qiáng)度支撐，很容易使液體箱的支撐圈和封頭連接處表面應(yīng)力值大于許用應(yīng)力值而影響液體箱的安全運輸。

3 集裝箱罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在液體箱的罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，使用全新的液體箱專利技術(shù)，在保證液體箱結(jié)構(gòu)安全和強(qiáng)度可靠的基礎(chǔ)上，取消液體箱傳統(tǒng)模式下的上下梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，以底側(cè)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要連接部件，將液體箱的角件和液體箱整個罐體緊密聯(lián)合，改善傳統(tǒng)模式下液體箱整體受力不均勻的外在條件，使液體箱的橫梁受力面能夠保持在同一垂直面范圍內(nèi)，減少液體箱結(jié)構(gòu)自重的基礎(chǔ)上，簡化液體箱的制造工藝和液體箱的焊接點數(shù)量。另一方面，在原有的液體箱連接圈與罐體的連接部位，取消傳統(tǒng)模式的焊接過渡支撐構(gòu)件，改用連接圓筒將液體箱的罐體和罐體框架的前后端框緊密焊接，保證液體液體箱制造方便的同時，有效改良液體液體箱的整個受力情況，降低液體箱自重達(dá)到節(jié)能環(huán)保。

4 結(jié)論

總之，隨著近年來國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和我國鐵路網(wǎng)、公路網(wǎng)甚至水路運輸?shù)冉煌ňW(wǎng)絡(luò)體系的不斷完善，石油化工原材料、液化天然氣LNG等利用液體箱進(jìn)行高效率的運輸，不斷降低單位運輸成本，憑借其較良好的安全可靠性和維護(hù)便捷性，在工業(yè)生產(chǎn)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中做出了重要貢獻(xiàn)。液體箱的進(jìn)一步應(yīng)用和產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)水平的提升，將會給石油化工、天然氣等的高效率運輸注入更強(qiáng)大的活力，具備較為廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]譚磊.20ft液化氣體罐式集裝箱的設(shè)計[J].能源研究與管理，2016（4）：70-72.

[2]周國發(fā)，孫麗娜.基于流固耦合作用的罐式集裝箱強(qiáng)度分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2012，34（2）：111-114.