車載儲(chǔ)液容器的輕量化設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

1、-范文最新推薦- 車載儲(chǔ)液容器的輕量化設(shè)計(jì)及力學(xué)分析 隨著我國工業(yè)的發(fā)展，油料需求量日益增加，但由于石油緊缺及環(huán)境問題，運(yùn)輸成本越來越高，我國專用車用戶迫切地希望專用汽車在減輕自重方面做出積極的努力。 本論文首先采用鋁合金材料，按照 GB 18564.1-2006 要求，對(duì)一種油罐進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。然后利用ANSYS 軟件，對(duì)罐體在設(shè)計(jì)壓力下進(jìn)行靜力分析，分析時(shí)，為簡化模型，根據(jù)罐體受力特性及良好的對(duì)稱性，建立 1/4 模型，并將封頭與單室單獨(dú)分析，結(jié)果表明封頭的倒角處應(yīng)力最大，找到最大應(yīng)力與倒角的關(guān)系。最后利用FLUENT 軟件對(duì)罐車制動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，為提高計(jì)算效率，根據(jù)現(xiàn)有研究，只考慮

2、封頭和一個(gè)單室，并建立二維模型，采用 VOF模型模擬0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，5種充液比下罐車制動(dòng)過程中罐體內(nèi)部液體晃動(dòng)，對(duì)流固耦合問題進(jìn)行仿真，并記錄了壓力最大點(diǎn)的壓力變化。結(jié)果表明充液比越小，液體晃動(dòng)越激烈，充液比越大，防波板對(duì)罐體保護(hù)作用越明顯，發(fā)現(xiàn)罐體在充液比為 0.5 和0.8時(shí)需加額外的保護(hù)。9601關(guān)鍵詞罐體力學(xué)分析VOF 模型液體晃動(dòng)流固耦合 TitleLight-weight design & mechanical analysis of thevehicle storage tanksAbstractWith the development of ou

3、r country’s industry, the oil demand isincreasing. However, due to shortage of oil and environmental issues,transportation costs are higher and higher, special-purpose vehicles usersare urgent to make active efforts to reduce the vehicles’ weight. 2.5工況102.6本章小結(jié)„103罐體靜力強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)&bd

4、quo; 113.1力學(xué)模型的建立„ 113.2計(jì)算結(jié)果分析„„143.3本章小結(jié)„194儲(chǔ)液罐車的流固耦合動(dòng)力學(xué)分析„204.1計(jì)算模型及計(jì)算方法„„204.2計(jì)算結(jié)果及分析„214.3本章小結(jié)„33結(jié)論„„35致謝„„36參考文獻(xiàn)37本科期間發(fā)表論文„„401緒論11研究意義隨著我國現(xiàn)代化的程度越來越高，石油資源的稀缺及環(huán)境問題也越來越制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。著眼于環(huán)保、節(jié)能及低碳的經(jīng)濟(jì)方式，我國制定了越來越嚴(yán)格的汽車

5、法規(guī)，控制汽車的排放，因而也需要盡可能地降低汽車產(chǎn)品的自重。另外隨著汽車超限問題處罰的越來越重、運(yùn)輸成本的越來越高，我國專用車用戶迫切地希望專用汽車在減輕自重方面做出積極的努力。在我國，成品油料的運(yùn)輸目前仍以車載油罐運(yùn)輸為主。以往對(duì)車載容器的計(jì)算僅僅局限于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的研究和分析，已經(jīng)不適應(yīng)車輛運(yùn)行安全性的要求。特別是近幾年來公路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，車載容器將會(huì)受到更強(qiáng)烈的動(dòng)載荷作用，所引發(fā)的液體晃動(dòng)問題將會(huì)變得十分突出，首先液體晃動(dòng)所產(chǎn)生的低頻橫振將會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生 并不十分理想。儲(chǔ)油罐的運(yùn)輸和抗震問題是現(xiàn)代工業(yè)中遇到的新問題。儲(chǔ)油罐在商業(yè)、軍用、民用、核電站，特別是石油化工工業(yè)中都有著廣泛的

6、應(yīng)用，他常常用來儲(chǔ)存易燃、易爆的液態(tài)介質(zhì)。一旦遭受破壞，大量可燃液體外泄和燃燒，可能導(dǎo)致毀滅性的次生災(zāi)害4。多年來世界上許多國家對(duì)它開展了大量的研究，取得了歷史性的進(jìn)展，但現(xiàn)有的研究成果中仍然有許多不成熟，還處于研究或剛剛開始研究之中。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)石油、天然氣等能源的需求也越來越多，因而其流固耦合力學(xué)問題變的也越來越重要。在 20世紀(jì)三、四十年代， Huoskin5等完成了剛性儲(chǔ)液罐研究的開創(chuàng)性工作。 1957年Housner6提出了將剛性儲(chǔ)液罐化為簡單而實(shí)用的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的簡化模型，為六、七十年代儲(chǔ)液罐的抗震計(jì)算所廣泛采用。然而罐壁的剛性假定導(dǎo)致求得的脈動(dòng)壓力過小，致使按 Ho

7、usner 理論設(shè)計(jì)的儲(chǔ)液罐在 1964 年阿拉斯加地震中遭到大量的破壞，從而促使人們應(yīng)用有限元方法、假定模態(tài)法和 Haroun-Housner方法對(duì)柔性壁儲(chǔ)液罐進(jìn)行研究。第一位采用有限元法在計(jì)算機(jī)上對(duì)罐-液耦合結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬的是Edwards7，他在 1969 年完成了這項(xiàng)工作。然而用有限元法研究儲(chǔ)液罐問題的大部分工作是由 Nash 指導(dǎo)在美國麻省大學(xué)完成的。在我國從 70 年代開始也做了不少這方面的研究工作，其中最富有成果的是項(xiàng)忠權(quán)8領(lǐng)導(dǎo)的研究工作和中國石化北京設(shè)計(jì)院9及大連理工大學(xué)10的研究工作。周敏11在 1989 年成功的用數(shù)值方法模擬了柔壁錨固于剛性基礎(chǔ)之上的儲(chǔ)液罐的幾

8、何非線性 影響,但在罐車轉(zhuǎn)彎建模時(shí)對(duì)罐車僅施加了平行離心力,所以該模型不能有效解決罐車轉(zhuǎn)彎半徑較小而罐車尺寸較大時(shí)的問題。表1.1 不同充液比下的液體橫向晃動(dòng)頻率 1.2.3流固耦合問題研究研究流固耦合動(dòng)力學(xué)17是流體力學(xué)和固體力學(xué)交叉而生成的一門邊緣學(xué)科。它的研究對(duì)象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運(yùn)動(dòng)對(duì)流場的影響。流固耦合動(dòng)力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的交互作用：固體在流體載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，這種變形或運(yùn)動(dòng)反過來又會(huì)影響流場，從而改變流體載荷的分布和大小。正是這種相互作用在不同的條件下產(chǎn)生了形形色色的流固耦合現(xiàn)象。在工程實(shí)踐中，流固耦合振動(dòng)是一個(gè)普遍現(xiàn)象。例如，在地震載荷

9、或其它振動(dòng)激勵(lì)作用下的水壩、進(jìn)水塔、輸油管道、橋墩和各種類型的貯油器、冷卻塔等都屬于這類問題。隨著海洋石油開采事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，大量修建在海洋里的采油平臺(tái)、江河里的建筑結(jié)構(gòu)、化工容器、船舶結(jié)構(gòu)以及航空航天裝置，都存在上述問題。目前的熱門前沿高新技術(shù)-生物工程，在許多方面也涉及到彈性體與流體的耦合作用。流固耦合振動(dòng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)的破壞，所以對(duì)這類問題機(jī)理和本質(zhì)的研究和探討顯得非常重要和必要。 流固耦合問題可由其耦合方程來定義，這類方程的定義域同時(shí)有流體域與固體域，而未知變量含有描述流體現(xiàn)象的變量及描述固體的變量，一般而言，具有以下兩點(diǎn)特征：（1） 流體域與固體域均不能單獨(dú)地求解；（2

10、） 無法顯式地消去描述流體運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立變量； 歐拉法）技術(shù)提供了一套有效的途徑，可將固體中的拉式系與流體中常用的歐拉系相聯(lián)系，但要真正地將兩者各自有效的方法相結(jié)合求解非線性耦合問題，其任務(wù)任然非常艱巨。如對(duì)大幅晃動(dòng)、產(chǎn)生碎液分離等非線性問題，因疊加原理失效，模態(tài)疊加法原則也不可再用，這需要我們探討全場求解耦合方程的途徑，這就使得求解方程的規(guī)模加大。目前有關(guān)并行算法的方法在這類耦合問題中開始發(fā)揮作用。試驗(yàn)研究是流固耦合力學(xué)中一個(gè)非常重要的辦法，眾所周知風(fēng)洞試驗(yàn)為氣動(dòng)彈性力學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其中涉及到非線性問題的試驗(yàn)其難度更大，例如，與化工容器地震載荷下晃動(dòng)有關(guān)的試驗(yàn)中，考慮其螺栓松動(dòng)、間隙等因素將給測量帶來很多的麻煩。非線性問題中出現(xiàn)的分岔、混沌、突變等現(xiàn)象，在試驗(yàn)室如何再現(xiàn)都是十分棘手的問題。而這些試驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)象觀察又恰是非線性模型建立的事實(shí)基礎(chǔ)，都需要我們付出艱苦的勞動(dòng)去研究。應(yīng)用研究主要是兩個(gè)方面的內(nèi)容：其一是將已有的成果如計(jì)算程序、方法等實(shí)用化。比如許多計(jì)算流體的有限元軟件，能方便、直觀地用于解決工程問題。如前面提到的生物工程中的血管流