基于流固耦合作用罐式集装箱的强度分析与研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 集装箱运输发展前景及其存在的问题
• 1.1.2 危险品集装箱事故原因及其危害性
• 1.2 目前研究现状
• 1.2.1 强度方面的研究现状
• 1.2.2 液体晃动方面的研究现状
• 1.2.3 流固耦合方面的研究现状
• 1.3 本论文研究主要内容
• 第2章 罐式集装箱液体晃动过程的数值模拟研究
• 2.1 液体晃动问题的数值模拟方法及分析软件介绍
• 2.1.1 数值模拟方法
• 2.1.2 有限体积法基础
• 2.1.3 计算软件
• 2.2 理论模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 初始条件
• 2.3 液体晃动水击过程模拟研究
• 2.3.1 模型条件
• 2.3.2 制动速度的施加
• 2.3.3 液体晃动水击过程
• 2.3.4 过程参数、液体性能参数及防波板对晃动水击压力的影响
• 2.4 实际制动过程液体晃动水击过程模拟研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 液体晃动冲击对集装箱罐体力学响应的影响
• 3.1 模型结构及边界条件
• 3.1.1 力学模型
• 3.1.2 边界条件
• 3.2 传统工程设计与实际水击工况下罐式集装箱的强度对比分析
• 3.2.1 按照传统工程设计罐式集装箱力学响应及强度评定
• 3.2.2 按照实际水击工况罐式集装箱力学响应及强度评定
• 3.3 本章小结
• 第4章 总结与展望
• 4.1 主要研究结论
• 4.2 论文的创新点
• 4.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果