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基于流固耦合作用罐式集装箱的强度分析与研究

孙丽娜  
【摘要】:罐式集装箱属于三类压力容器,为此建立科学合理的罐式集装箱结构强度设计方法,对于确保其安全运行具有重要的工程应用价值。罐车在制动过程中会产生明显的水击现象,但至今相关设计标准没能真实反映实际水击压力对结构强度的影响。如何准确计算罐式集装箱在制动过程中的水击压力场,并建立流体动力学与固体有限元分析的多场耦合机制是建立科学合理的罐式集装箱结构强度设计方法的理论前提。为此,本文系统研究了介质特性和过程参数对水击压力影响的规律和机理,探讨了流体动力学与固体有限元分析的多场耦合机制,提出了基于流固耦合作用的罐式集装箱结构强度设计方法,为建立合理的罐式集装箱设计方法奠定了科学的理论基础。 罐车制动过程中罐内液体晃动的水击是由边界运动改变而产生,而现有通过在流体上施加加速度模拟罐内液体晃动水击过程显然是不合理的,所以本文提出了通过对罐体壁面施加罐车制动速度边界条件,来真实反映其罐内液体晃动水击过程的数值模拟方法。 本文系统研究了罐车初始速度、液体充装率、密度、黏度和防波板对罐体水击压强影响的规律性关系。研究表明,当罐车充装率k=0.85和初速度为16.66m/s时,液体晃动产生的最大水击压力高达2.1MPa,是初始最大静水压强的107倍,因此,设计时应考虑水击压力对结构强度的影响。 通过传统工程经验设计法与本文基于流固耦合罐式集装箱设计法计算的罐体强度对比分析,结果表明按照实际刹车制动过程液体晃动内壁的水击压力计算的罐体最大应力要比传统工程经验设计法计算的最大应力值增加38.6%。所以,JBT4781-2005液化气体罐式集装箱等效压力规定的下限0.035MPa偏不安全,科学的液化气体罐式集装箱设计法应考虑制动过程中的流固耦合作用。


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