[发明专利]基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法

权利要求书

1.基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：以GQ70型轻油罐车为研究对象，针对罐车的结构罐体(1)、牵枕、k6转向架，应用Creo3.0软件对其进行建模；

步骤2：使用ANSYS Workbench 19.0软件分别对罐车在空车和重车条件下进行静力学分析，得到空车与重车条件下的静力学仿真结果的等效应力和等效应变云图，通过对空车和重车条件下的罐车静力学分析结果对比；

步骤3：使用ANSYS Workbench 19.0研究空车运行条件下罐车在平交道口受到卡车侧面冲击时的性能，并且研究碰撞质量和碰撞速度两因素对罐体(1)最大等效应力的影响，得到碰撞规律；

步骤4：研究重车条件下罐车在平交道口受到卡车的侧面撞击，罐体(1)和罐内流体会发生相互的耦合作用，对罐车进行流固耦合分析，采用光滑粒子流体动力学(SPH)的方法对罐内流体进行仿真，采用SPH-FEM耦合理论实现流固耦合；

步骤5：罐体(1)结构设计，罐体(1)采用泡沫铝夹芯结构，在罐体(1)内增设挡波板(2)；

步骤6：建立设计的罐车三维几何模型，在原罐车的基础上增加10块挡波板(2)，两板之间的间距为1m，取碰撞前期的10ms时刻、碰撞后期的26ms时刻以及发生碰撞分离的150ms时刻作为特征时刻进行分析。

2.如权利要求1所述的基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法，其特征在于，所述罐体(1)包括筒体、封头和人孔，其中，筒体顶部设有安全阀，底部设有聚液窝。

3.如权利要求1所述的基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法，其特征在于，步骤2中对罐车在空车和重车条件下进行静力学分析的步骤如下：

材料设置：GQ70型轻油罐车罐体材料采用Q345A；牵枕材料采用热轧310乙型钢，转向架车轮材料为低碳合金钢；

接触设置：选取罐车的1/4作为分析模型，对罐车结构进行分析可知，计算过程中存在两个接触区域，分别是：罐体与牵枕之间、牵枕与转向架之间；

网格划分：罐车模型包含曲面众多，因此都使用四面体网格进行划分，限制罐体单元尺寸与牵枕和转向架的单元尺寸，得到罐车整体网格划分模型；

边界条件设定：空车边界条件：设置重力加速度、罐内压力。

4.如权利要求1所述的基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法，其特征在于，步骤3中研究空车运行条件下罐车在平交道口受到卡车侧面冲击时的性能的步骤如下：

三维几何模型的建立：使用Creo 3.0软件建立了卡车和地面的三维几何模型，使用整车模型进行分析；

接触设置：铁道罐车在平交道口遭受碰撞主要分为两种情况：一种是卡车与罐体中间部位直接发生过碰撞，另一种是卡车与罐车牵枕组成的碰撞，如果最危险的区域能够满足要求，那么其他部位也会满足要求，对碰撞过程进行分析可知，碰撞仿真中包含5个接触对，其中，罐车各个部件之间为固定接触；罐车、卡车与地面之间为滑动接触；卡车和罐车之间为滑动接触；

网格划分：在碰撞仿真中，将罐体设置为壳单元，其余部位仍使用实体单元；

边界条件设定：设定卡车的侧面碰撞速度。

5.如权利要求1所述的基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法，其特征在于，步骤4中重车条件下对罐车进行流固耦合分析的步骤如下：

重车的几何模型建立：重车情况下的罐车有限元模型与空车在结构上增加了罐内流体的部分，其余设置均相同；

定义流体的材料属性和状态方程：在LS-DYNA中，流体的材料模型通常使用*MAT_NULL关键字定义；

网格划分：通过LS-Prepost 4.3软件对模型文件进行修改，构建SPH粒子。

6.如权利要求1所述的基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法，其特征在于，步骤5中泡沫铝夹芯结构由两层较薄的面层板和中间较厚的轻质泡沫铝芯板构成。

7.如权利要求1所述的基于碰撞中流固耦合作用的轻油罐车罐体的结构设计方法，其特征在于，步骤6中新建立的罐车模型进行碰撞流固耦合分析的步骤如下：

使用共节点的方式将两者进行连接，使用壳单元对泡沫铝夹芯结构进行仿真，需要手动指定罐体厚度方向上积分点的位置和数量，对不同层的积分点赋予不同的材料属性，同时要打开壳单元的层合理论进行计算。