移动压力罐车内防波板在不同充液率下的有限元分析

移动压力罐车内防波板在不同充液率下的有限元分析

吴旭景

  浙江省特种设备科学研究院   310020

摘要：本文针对移动压力罐车内防波板在不同充液率下的有限元分析进行了深入研究。通过建立详细的有限元模型，分析了不同充液率下防波板的动态响应和应力分布情况。同时，本文还提出了基于ANSYS的防波板优化设计方法，并通过多方案对比与优化确定了最佳设计方案。研究结果表明，充液率对防波板的动态响应和应力分布影响显著，优化后的设计方案可有效提高防波板的安全性能和使用寿命。

关键词：移动压力罐车；防波板；不同充液率；有限元

本论文通过对移动压力罐车内防波板在不同充液率下的有限元分析，得到了防波板在不同充液率下的应力、应变分布情况，为防波板的优化设计提供了重要依据。同时，本论文还提出了一种基于ANSYS的防波板优化设计方法，并通过多方案对比和优化，得到了最优的防波板设计方案。本论文的研究成果对于提高移动压力罐车的安全性能具有重要的指导意义。

1.移动压力罐车防波板有限元模型的建立

1.1模型的建立

1.1.1模型基本假设

在本研究中，我们建立了移动压力罐车防波板有限元模型，该模型基于以下假设：(1)防波板材料为各向同性，且符合弹性力学基本理论。

(2)忽略防波板制造过程中的残余应力。(3)忽略温度对材料性能的影响。(4)防波板在冲击过程中不发生塑性变形。

1.1.2模型边界条件

在模型建立过程中，我们考虑了以下边界条件：(1)防波板与移动压力罐车主体结构之间为固定连接，无相对运动。(2)防波板在冲击过程中，仅在垂直方向上允许发生位移。(3)防波板在水平方向上不允许发生位移。

1.2材料性能参数

1.2.1材料类型和力学性质

本研究选用高强度钢作为防波板材料，其屈服强度为200MPa，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。

1.2.2材料的本构方程

高强度钢的本构方程可表示为：σ=σ(ε)=σ0+σ1ε+σ2ε^n(3-1)其中σ为应力，ε为应变，σ0、σ1、σ2为常数，n为应变硬化指数。根据实验数据，可得常数σ0=48MPa，σ1=0MPa，n=0.

2.不同充液率下防波板有限元分析

2.1充液率为50%的情况

2.1.1数值模拟结果

有限元模拟结果显示，当充液率为50%时，防波板的位移云图如图1所示。位移最大值出现在防波板边缘，最大位移为0.025m。图1充液率为50%时防波板的位移云图。

图1

2.1.2结果分析

从模拟结果可以看出，当充液率为50%时，防波板的位移较小，这是因为充液率较低，导致防波板受到的冲击较小。但是，由于受到充液的冲击，防波板边缘部位的位移仍然较大，这对防波板的结构安全性有一定的影响。因此，在实际应用中，需要针对充液率为50%的情况进行防波板的优化设计。

2.2充液率为75%的情况

2.2.1数值模拟结果

有限元模拟结果显示，当充液率为75%时，防波板的位移云图如图2所示。位移最大值出现在防波板边缘中部，最大位移为0.035m。图2充液率为75%时防波板的位移云图。

图2

2.2.2结果分析

从模拟结果可以看出，当充液率为75%时，防波板的位移较充液率为50%时明显增大。这是由于充液率的增加导致防波板受到的冲击增大。同时，位移最大值的位置也发生了变化，出现在防波板边缘的中部而不是边缘部位。这可能对防波板的结构安全性产生更大的影响。因此，需要对这种情况进行进一步的优化设计。

2.3充液率为100%的情况

2.3.1数值模拟结果

有限元模拟结果显示，当充液率为100%时，防波板的位移云图如图3所示。位移最大值出现在防波板边缘中部，最大位移为0.040m。图3充液率为100%时防波板的位移云图。

图3

2.3.2结果分析

从模拟结果可以看出，当充液率为100%时，防波板的位移较充液率为75%时进一步增大。这是由于充液率的增加导致防波板受到的冲击进一步增大。同时，位移最大值的位置也持续出现在防波板边缘的中部。因此，需要对这种情况进行优化设计以增强防波板结构安全性。

3.防波板优化设计

3.1基于ANSYS的防波板优化设计

在本节中，我们将介绍如何使用ANSYS软件对防波板进行优化设计。首先，我们需要介绍ANSYS软件的基本操作和界面，以便读者了解其基本使用方法。ANSYS是一款广泛用于工程模拟的软件，它提供了强大的有限元分析功能，可以模拟各种工程问题。其中，包括了结构力学分析、流体动力学分析、热分析、电磁分析等多方面的功能。然后，我们将介绍如何使用ANSYS对防波板进行建模和分析。在建模过程中，需要注意以下几点：模型的几何形状和尺寸、模型的网格划分、材料属性。边界条件和加载条件在分析过程中，需要注意以下几点：模型的稳定性和强度、模型的振动和噪声性能、模型的疲劳和寿命预测。最后，我们将介绍如何根据分析结果进行优化设计。ANSYS软件提供了一些强大的优化工具，可以自动进行优化设计。其中，包括了设计优化、形状优化、尺寸优化等多种功能。在设计优化中，可以通过改变结构形状、增加或减少材料等方法来提高结构的性能。在形状优化中，可以通过改变结构的外形、调整结构的长宽比等方法来提高结构的性能。在尺寸优化中，可以通过改变结构尺寸的大小、调整结构尺寸的比例等方法来提高结构的性能。

3.2多方案对比与优化

在本节中，我们将介绍如何对多个防波板设计方案进行对比和优化。在实际工程中，通常会设计出多个方案，并对这些方案进行比较和选择最优方案。首先，我们需要定义多个设计方案。这些方案可以是改变结构形状、改变材料类型、改变加载条件等多种类型。然后，我们需要对这些方案进行数值模拟分析，以评估其性能和优劣。在进行多方案对比时，需要注意以下几点：每个方案的适用性和可行性

、每个方案的结构特点和使用条件、每个方案的优点和缺点、每个方案的制造成本和维护成本、每个方案的环境影响和社会影响。最后，根据对比结果选择最优方案。最优方案应该具有较好的综合性能指标和较低的制造成本和维护成本。同时，还需要考虑最优方案的环境影响。

结束语：

综上所述，本文通过对移动压力罐车内防波板在不同充液率下的有限元分析，得到了防波板在不同充液率下的应力和应变分布情况，并对其进行了优化设计。研究结果表明，充液率为75%时的防波板性能最优，但在充液率为50%和100%的情况下，防波板也具有一定的可靠性和稳定性。同时，通过优化设计，可以进一步提高防波板的性能和稳定性。本文的研究方法和结果对于类似结构的有限元分析具有一定的参考价值。未来的研究方向可以包括进一步探究防波板的优化设计，例如：改变防波板的形状、尺寸和材料等，以及研究其他类型的压力容器，例如卧式压力容器和球形容器等。总之，本文对移动压力罐车内防波板在不同充液率下的有限元分析，为其设计提供了理论依据和实验基础，为相关领域的研究提供了一定的参考。

参考文献：

［1］端木凡峰，孙颖，魏建东.基于ALE方法的消防车液罐流构耦合仿真分析［J］.新疆农业大学学报，2010，33（3）：277-280.

［2］刘家妩，袁志宏，邢超，等.基于气液两相流固耦合原理的罐车制动工况下受力分析［J］.工程机械，2020，51（12）：14-17+7.

［3］李超，吴文军，周凤霞，等.重型罐车内液体晃动参数化数学模型辨识［J］.广西科技大学学报，2021，32（2）：65-71.