罐式集装箱结构中液体晃动的三维有限元分析

罐式集装箱结构中液体晃动的三维有限元分析

随着我国工业和贸易的快速发展，不同行业对降低流量的安全和高效运输提出了越来越高的要求。例如，能源、化工、机械、食品、能源、化工等。而罐式集装箱(国际上又叫ISOTANK)作为当前流体运输的主要手段之一,在各个领域都有较高的需求。与其他运输方式相比,罐式集装箱在运输中尤其是在危险介质运输时安全系数较高。同时,罐式集装箱的另一大优点是可以在全球集装箱运输系统内流通。罐式集装箱由罐体和框架组成,罐体主要承担保存与储运液体的作用,框架起支撑和连接作用。液体晃动是影响罐式集装箱运行中稳定性的主要因素。近些年,许多学者针对液体晃动开展研究,以期利用数值模型计算准确模拟罐箱中液体的晃动情况。LiuD和LinP建立了一种数值模型研究带有破裂自由表面的三维非线性液体晃动同时,作为减小罐体内液体晃动幅度的有效方法,防波板的设置是学者们的另一研究重点。KolaeiA等分析了带有纵向防波板的部分充满圆柱形容器中的液体晃动情况,成功预测了瞬时横向晃动力和侧翻力矩此外,还有学者对罐式集装箱的整体失效进行研究。FahyM和TiernanS运用有限元方法对静态和动态、陆运和铁道运输情况下的罐式集装箱根据ISO标准进行了校核,并模拟了冲击试验,但由于实际情况的复杂性,很难依据每条标准完全模拟罐式集装箱校核的实际情况当前大量的研究出发点和目的都是保证罐式集装箱运行的安全性,几乎没有文献报道关于如何提高罐式集装箱承载能力的相关研究。由此,笔者以提高罐式集装箱罐体容积为出发点,提出一种新型结构,并对该结构下的罐内流场进行了模拟,同时进行了流固耦合分析。1新结构罐体的构建目前,大多数罐式集装箱的罐体是圆柱形的,该结构经过几十年的应用,其安全性已被验证。但圆柱形罐体的承载能力仍有提高空间。因此,笔者提出了一种近方形罐体,在保持罐式集装箱整体结构尺寸不变、不影响其正常流通的情况下,提高单次运输容积。新结构罐体示意图如图1所示,为了保证筒体与封头的连接处不出现应力集中,封头形状也设计为近方形。从图1中可以看出,该罐体截面形状不再是圆形,这里引入“基圆”概念来构建罐体截面形状。图1b中2液体摆动的真实情况对于所提出的新结构,有必要研究其内部的液体晃动真实情况来确保其运行的安全可靠性。2.1液体摇晃值模型和液体流域初始化2.1.1双相流场追踪要得到罐体内液体晃动的真实情况,最重要的是追踪罐体运动过程中各相之间变化剧烈的自由液面。在罐式集装箱的正常使用中,大多数情况下罐内是由气相和液相组成的双相流流场。前述中提到的VOF方法便是一种基于固定欧拉网格的双相流自由液面追踪方法。LöhnerR等开发了包含VOF方法并耦合了非压缩欧拉/纳维-斯托克斯方程的计算模型,模拟了运用自适应非结构网格的三维结构和极限波的交互作用,结果表明VOF方法可应用于包含剧烈晃动的自由液面的流场模拟此外,当液体晃动较剧烈时,会由初始的层流变为湍流。因此,该问题需要选择合理的湍流模型。2.1.2罐体加速制动阶段对于计算流体力学,流体域的初始化直接关系到计算结果的准确性和可信度。在该计算模型中,为了尽量达到与实际相一致的效果,通过定义罐体壁面的运动来实现对流体的加载,这与实际运动中流体的受力方式一致。同时,在计算中还需要定义流体网格的相应运动。在罐车运行的过程中,制动阶段是罐体受力最大同时也是整个设备最危险的阶段。制动阶段中,在罐壁的限制下,罐内液体容易产生大幅度晃动且对罐体造成相当大的冲击。因此选取减速制动阶段进行模拟。设置罐体壁面和气、液相的初速度在应用罐式集装箱的各种附件(如各类阀门、卸料进料口、保温层及人孔等)对流场计算结果的影响非常微弱,因此在流场计算中予以忽略,这可以大幅加快计算速度。罐体流体域采用均匀的非结构网格,对网格进行了无关性验证,结果见表1,其中从表1可以看出,当网格数量增加到158396个以上时,罐体壁面最大冲击压力基本不再发生变化,稳定在0.038MPa左右。因此在保证计算精度的情况下,选取158396个网格,以加快计算速度。在计算中,初始液相为水,初始气相为空气,二者均视为不可压缩。图2所示为流场初始化后的水体积分数云图(2.2液体摇晃在计算中,每隔0.1s(20个时间步)保存流场的计算结果。在初始计算条件下,即2.2.1制动加速度的影响在罐式集装箱的运行中,无论是在陆运、铁道运输还是海运情况下,罐体所受到的制动加速度的不同都会对罐体造成巨大的影响。根据《国际海运危险货物规则》规定(IMDGCODE),便携式罐体及其紧固件在最大许可载荷下,应能承受运行方向最大许可重的两倍乘以重力加速度图5中各加速度下的最大冲击力大都发生在2.2.2罐内最大充液比笔者对不同充液比从图7中可以看出,总体上,最大冲击力随着充液比的增加而增加。最大峰值出现在同时发现当充液比越大时,第1个峰值来临的时间点更早。这是由于罐体内的液体体积越大,前封头及其附近区域就越快被水充满,如图8所示。换言之,在较大充液比下,液体淹没相同区域所需要的时间更少。2.2.3模式1:水、种介质基本物性参数的测定除了制动加速度和充液比,罐内充装不同的介质也会对罐体运行情况造成较大的影响。笔者选取了3种不同黏度、密度的液体进行计算,分别是水、煤油和机油,其基本物性参数(常温下)见表2。计算结果如图9所示(从图9中可以看出,3种介质的曲线具有完全相同的趋势。尽管所选用的3种介质黏度之间有巨大的差别,但是从结果中没有发现最大冲击力与黏度有关系的证据。而发现冲击力的值与液体的密度之间存在正相关,即液体密度越大,冲击力越大,这说明冲击力大小与充装液体的总质量有关系。2.2.4液体摆动的影响罐车制造时,大多数都会设置防波板,这可以有效减小罐内液体的晃动幅度,增加罐体稳定性。根据《液化气体汽车罐车安全监察规程》规定:罐车罐体内的防波板面积应大于罐体横断面积的40%图10为防波板设置前后的计算结果对比图(3流场所的影响在流场分析的基础上,选取载荷最大的一种情况对罐式集装箱进行流固耦合分析,并校核其安全性。对于罐式集装箱,由流场所导致的结构变形基本可以忽略不计,因此采用单向流固耦合方法。根据第2节中的分析,选取图12以图13为结构场所受的最大应力随时间变化示意图。可以看出最大应力发生在图14为4种集装箱见表2笔者所设计的新型罐式集装箱结构比传统结构的容积更大,可以在单次运输中承载更多的介质,从而达到较好的经济效益。表4为新结构与传统罐式集装箱的性能对比。从表4中可以看出,新结构的容积比传统结构提高了11.8%,而制造所需材料只增加了8.6%。5降压降温增加了罐体受力,降低罐体重力,使罐体重心更加稳定5.1在罐式集装箱的减速过程中,制动加速度、充液比、充装介质均会对罐内流场造成很大影响。5.2防波板的设置有效减小了罐体受力,将罐体所受的最大冲击力降