危化品液罐车防波板对其行驶稳定性的影响

王林　朱天军　胡伟　栗圣博

摘要：流固耦合的作用是影响危化品液罐车的运输安全性、可靠性的一个重要领域。罐体内液体的晃动所产生的力对车辆运动学和车辆稳定性有着很大的影响：液罐车在转向过程中，液体的横向动力学会影响到车辆的行驶的稳定性。而纵向动力学会造成制动力的损失和加速方向控制力不稳定。在本文中，论文借助理论分析、等效模型和仿真研究等方法，对纵向运动学进行了深入研究，通过数学模型的建立，从原理数值上论证了新型防波板的设计合理性。对设计的不同防波板进行建模与仿真，通过定点分析以及对比，得到了令我们满意的仿真结果，验证了防波板模型的合理性和新型防波板在危化品液罐车中推广的可行性。本文为设计新型防波板以及研究不同防波板对液罐车行驶稳定性影响提供了一定的理论依据。

关键词：危化品油罐车;稳定性;模型

1.1油罐车动力学模型

由于低控性的限制，重型车辆在规避机动时以特殊的方式发生倾翻现象。事实上，运载刚性货物的卡车的重心太高，与SUV或乘用车相比，这导致了纵向和横向的巨大载荷转移。准静态侧翻阀值（SRT）是指在稳态转弯时，内曲线侧轮的升力引起的横向加速度的量度，用重力加速度的分数表示。已发现准静侧翻阀值适合于预测重型车辆的侧倾稳定性特性。忽略轮胎和悬挂的弹性变形，对静态侧翻阈值的一个粗略估计是由静态稳定因子（SSF）比给出的：。通过静态稳定因子（SSF）方程（1）中是轨道宽度，是重心的高度;明确地指出了重心高度对罐车稳定性的影响;事实上，增加的结果就是使得静态稳定因子比减少。在许多研究中，已显示侧翻碰撞频率与侧翻稳定极限之间的关系。为降低与翻车事故有关的公路安全风险，已提出了最低0.35 g的商业运营标准。

1.2  罐体几何模型的建立

本文研究的对象是基于勒洛三角原理，在传统的方形和圆形油罐车的横截面基础上改善而来的，而设计出的上圆下方的方圆形油罐体几何截面模型。具有储量大、质量重心低的特点。

?液化气体运输车?中规定：“罐体内应设置防波板，每个防波板间距不得超过1.75m，每个防波挡流板的有效面积不得低于罐体横断截面的40%”。根据我国的相关设计规范，本文设计的罐体事以我国通用标准设计而来的。罐体的几何尺寸：罐体全长为6880mm，高度为2030，宽度为2600，各挡流板间隔为1720mm，为了简化模型，本设计壁厚和挡流板厚度均为10mm。罐体、封头、挡流板的材料均采用强度较高的>400MPa的低合金高强度结构钢。

1.3  等效晃动几何模型的建立

因为液体晃动本身是一个复杂且无法准确定义的运动状态，所以我们需要简化模型，并建立油罐车晃动的等效力学准静态模型，通过准静态方法分析不同类型的挡流板上的压力、应力等，来研究挡流板对油罐车稳定性的影响。

在图1中，是侧面的加速;是垂直轮胎负荷，= 1，2;是車辆的重量，是相对于轨道的重心的横向运动。

准静态模型是用来预测运动容器内液体液面稳态位置的常用方法。在这种方法中，可以对不同激励下的液体，进行质心位置的标定。结果表明，随意晃动的液面可以用直线或面来代替。根据滚转平面的横向加速度或倾斜平面的纵向加速度，可以计算出自由液面的位置。然后，在车辆转向时，分析稳态货物在动力学性能下的载荷转移情况。在稳定转向时，假定不可压缩的油罐车均匀流体在非惯性参考系中动量守恒：

（1）

;（2）

其中，是流体密度和压力;和分別是重力和油罐的自转速度，是非惯性参照系的旋转轴线和原点，即储罐的中底点之间的距离。

这组方程为小滚角提供了一个抛物面自由面。然而，对于半径较大的道路集装箱相比于集装箱的宽度而言来说，术语cos可以忽略不计。这与罗伯特等人提出的罐车液面自由度的评定可以忽略这种近似误差结论相争议。在方程（1.1）和（1.2）中引入横向加速度：

（3）

（4）

通过自由表面上的p=0，可以得到自由表面下面的方程：

（5）

稳态转动下二维曲面模型导出自由液面方程：（6）

假定小滚转角的自由表面梯度可以表示为：（7）

因此，滚平面内的自由面是一个与它的初始位置相对应的直线。类似的方程可以得到二维平面间距恒定纵向加速：（8）

其中P是表示在俯仰平面液体自由表面的坡度，是表示纵向加速度而P是罐车的倾斜角。基于自由曲面的梯度、液体填充水平和罐的几何形状，可以计算液体体积在纵向、横向和垂直方向上的平移。曲面平面模型中的液体重心坐标可以得到如下：

（9）

Ω是流体取值范围，对于倾斜平面模型，可以计算液体质量中心坐标：

（10）

准静态晃动模型是探索油罐车液体运动状态下稳态负荷变化的一种有效的方法。

2.1  三维模型的建立

因为罐体和挡流板的三维模型较复杂，所以本文所需要的三维模型是在CATIA软件进行建模的。因为本文研究的是不同挡流板对油罐车稳定性的影响，所以罐体简化模型的尺寸和截面都是统一的。如圖所示：

2.2  网格划分及网格质量评价

网格划分是流体动力学仿真分析最重要的步骤之一，网格划分的密度和质量直接影响到了流体仿真结果的精确度和准确性。在网格形状参数中，我们选择六棱柱和四边形相结合的网格形状，在网格关联质量我们选择高等，高级尺寸功能我们选择按照距离和曲率进行划分网格。因为本文我们研究的对象主要是防波板对油罐车稳定性的影响，关于膨胀层的设置，我们设置的对象是在三个防波板上，膨胀层数为5层，过渡方式选择平滑过渡。生成网格后检查网格质量，网格质量合适回到Workbench中更新网格。

3  CFD（计算流体动力学）仿真和分析

在Workbench搭建的仿真流程，设置划分好网格就可以正式进入fluent板块里面进行相关步骤的设置。因为我们研究的是液体晃动瞬态的，所以我们的模型选择湍流，本文也将已经到液体体积的变化，要求设置为VOF。液体材料我们选择煤油，主相为空气，次相为我们选择的煤油。

因为我们还将研究不同填充率对挡流板对油罐车稳定性的影响，因为本文模型较正常油罐车模型复杂些，所以本文通过设置液面在罐体里的高度来简化煤油的填充率。为了简化罐体的受力境况，在罐体的底部看做是地面并施加一个与之平行的纵向力，设置受力20秒，前12秒加速到10m/s，后8秒紧急制动到0m/s。因为与液体相作用的是内表面，所以我们先抑制外壁再激活流固耦合界面。其它条件均是理想情况，而且我们本次仿真不考虑液体的粘度对晃动的影响。该模型采用三种不同的横向挡流板，在理想的纵向加速度和重力加速度场的组合下，进行仿真。

在进行有限体元仿真分析中，施加纵向加速度下的瞬时晃动力。研究表明，不同的填充率，对挡流板的影响也有所不同，本文我们主要比较的是方便观察的俯仰力矩，可以发现多孔对俯仰力矩的影响最为明显，而半圆形挡流板和圆形挡流板对俯仰力矩的抑制作用相差无几。仿真实验是在准静态理想化的直线制动良好路面上进行制动操作的策略下进行的，在填充率较低时，挡流板的作用远远不如填充率较高时来的明显，而且其中多孔挡流板的作用尤其突出。

本文也对液体速度和加速度进行了仿真，匀速行驶速度较低，设置仿真时间为匀速行驶1s后，进行制动3.5s的过程。我们进行了在全制动的的操作下，研究最后一块防波板周围流体的速度以及加速度。制动4s后，液体表面已经停止晃动，通过展示的三种不同挡流板排列的模拟过程中自由流体速度的的演变，可以看出，挡流板的存在显著地抑制了流体运动，但由于我们设置的是低速，所以各个挡流板对液体晃动的抑制的差异不是很明显。

随后我们又对各个不同防波板对纵向力、垂直力还有俯仰力矩进行了综合对比分析发现对流体的俯仰力矩还有纵向力影响最明显的依然是多孔的挡流板。因为是直线行驶的全制动，所以各挡流板对流体的垂直力影响差异不是很明显。

在主要对纵向全制动工况仿真分析了之后，本文为了研究防波板对横向动力学的影响，对液罐车在规避变道操作时的制动转向工况进行了仿真研究。为了方便观察研究，我们设置填充率为50%，初始车辆速度为70km/h，规避变道操作完成时为48km/h。通过在准静态模型中对CFD液罐车的横向加速度响应进行比较，若仅观察横向的液体加速度响应，防波板对制动转向工况中横向的流体晃动影响很有限，影响程度小、时间短。所以我们可以知道防波板的主要抑制纵向的液体晃动。

4  结论

通过合理简化并进行构造等效模型的方法，先进行准静态分析，在理想状态下对罐体就行全制动的液体激励仿真，通过在ANSYS中标记挡流板周边某一点作为等效力学的研究对象，对比其的速度、加速度以及罐内流体的俯仰力矩，来进行分析挡流板对液体晃动的影响，从而得出挡流板对罐车稳定性的重要作用。仿真结果很理想，本文通过三种不同的防波板仿真对比，从而得出所设计的多孔挡流板对流体晃动可以有效地降低过渡峰和平均其俯仰力矩，而且其质量也是最轻，结构得到优化。在规避变道工况中知道了防波板对横向加速度的影响极小。对增大侧翻阀值从而减少侧翻事故提供了理论依据。为设计的防波板模型的合理性以及新型防波板在危化品液罐车中推广论证了可行性。本文对于研究油罐车的侧倾及其稳定性有着一定的指导意义。

参考文献

[1]王次安，王宏大，张蕾.基于流固耦合的罐装车结构优化设计[J].专用汽车，2014（10）

[2]田小平，白莉.液罐车动态结构强度有限元分析[J].现代制造技术与装备，2017（08）