摘要
液体晃动问题普遍存在于油轮、航空航天和道路交通运输等领域。经济发展和社会的需要使得易燃、易爆、剧毒等危险品的运输越来越频繁，因此作为这些危险品主要运输工具罐车的重要性越来越高。由于罐车内液体货物的密度的不同、车轴最大载荷的限制以及客户的实际需求等原因，罐车通常处于非满载状态。对于非满载罐车而言，车辆行驶的微小变化就有可能导致内部液体的剧烈波动，对罐体产生巨大的冲击载荷。尤其是当罐车需要紧急制动时，罐体内部液体的纵向晃动产生的巨大冲击载荷会严重影响车辆的制动性能甚至对罐体造成破坏，引起罐体失效，导致液体泄露污染环境，甚至发生爆炸。因此开展非满载油罐车内部液体纵向晃动的数值模拟分析和防晃性能的研究具有非常重要的理论意义和实际价值。 首先，本文运用Solidworks建立某专用车生产公司生产的某型号铝合金油罐车总成的三维模型，将其导入Ansys Workbench中建立非满载油罐车流固耦合有限元模型，主要包括流体有限元模型的建立和固体结构有限元模型的建立。主要工作有模型的简化、几何清理、抽取中面、流体域的提取、网格划分及质量检查等。并通过模拟得到的无防波板油罐车前封头受力曲线图与准静态模型的数据对比验证了设置和模拟的正确性和有效性。 然后，利用建立好的流固耦合有限元模型对不同充装率非满载油罐车进行了仿真，分析了不同充装率非满载油罐车紧急制动工况下的气液分布状态、前封头和防波板1、2受到的纵向晃动力曲线图、罐体受到的等效应力和变形云图，并通过与实际工况罐体失效的对比验证了模拟的正确性。结果表明，前封头受到纵向晃动力曲线趋势反映了液体晃动的情况，前封头受到的纵向晃动力最大峰值出现的时间随充装率的增加而提前，充装率低于0.8时，前封头受到的纵向晃动力随充装率的增加而增加，充装率大于0.8时前封头受到的纵向晃动力反而减小；罐体受到的最大等效应力在充装率为0.8时取得最大值为134MPa，出现在翼板垫板与罐体连接处，超出了材料的屈服极限，在充装率低于0.8时，罐体受到的最大等效应力和变形量与充装率基本成正比关系；罐体失效的主要原因是，油罐车紧急制动内部液体纵向晃动产生的冲击载荷超出了材料的屈服极限，从而导致了罐体的破裂。 最后，通过对比气液分布图和油罐车罐体前封头受到的纵向晃动力的最大峰值和平均值，研究了防波板的参数对油罐车防晃性能的影响。研究表明，减小防波板人孔面积可以有效提高油罐车的防晃性能；防波板的人孔形状对油罐车的防晃性能影响很大，其中圆形人孔防晃效果最好；防波板人孔的位置高度在充装率低于0.6时，随人孔高度的增加，防晃性能提升，在充装率0.6时人孔高度为H=0.844m防晃效果最好，大于等于0.7时三种位置高度防晃效果基本相同；增加防波板人孔的偏置距离可以有效减小油罐车罐体前封头受到的纵向晃动力最大峰值，但是对于液体振荡的抑制作用有限；根据防波板的类型提出了一种新型波浪形防波板，数据表明波浪形防波板相对于碟形防波板具有更好的防晃性能。
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