29立方米液体罐式集装箱的流固耦合及结构优化

摘要

由于近几年铁路运输大提速，列车油罐受到强烈的外载荷作用，液体晃动问题十分突出;晃动液体与结构的耦合冲击成为非常重要的问题，因此研究运动罐体内液体晃动对保障罐车运输安全具有十分重要的意义。
　　液固耦合一方面可能导致系统的运行不稳定，另一方面会对容器产生显著的附加动应力，甚至造成结构破坏，因此有必要对这类问题进行详细分析。
　　本文以此为出发点，使用双向流固耦合的方法对罐体冲击载荷进行分析，并进行结构减重和罐体端面形状优化的研究，具体分为以下步骤:
　　(1)几何模型的简化。在HyperMesh中对罐车模型进行简化处理，方便后面网格的划分。
　　(2)流固有限元模型的建立。分别利用HyperMesh和ICEM-CFD对罐体及流体进行网格划分。
　　(3)固体域边界条件的设定。在HyperMesh中分别设置罐体的约束条件、分析类型和耦合参数，并通过添加命令流的方式设置流固耦合的耦合面。
　　(4)网格的变形。在HyperMesh的HperMorph中设置罐体和流体网格的控制体，通过改变控制体的handles实现网格的变形，通过保存所有步骤的命令文件来实现网格的自动变形。
　　(5)流体域参数的设置。在CFX中设置计算分析类型，流体边界条件，耦合参数，耦合面数据交换等。
　　(6)单双向流固耦合。通过CFX软件完成了罐体在流体冲击时的单双向流固耦合仿真。并对比单双向流固耦合结果，差异不大。而且都满足罐体材料许用应力。为优化设计提供了前提条件。
　　(7)罐体结构的优化设计。本文以罐体的壁厚及两端形状控制点作为设计因子，罐体的应力及质量作为输出响应建立实验设计方法。建立罐体的近似模型，选用NSGA-Ⅱ作为优化算法，完成优化设计。并验证罐体的优化后的模型。最终通过改变罐体的壁厚及两端形状得到的优化结果，使罐体的重量降低8.9％左右。
　　本文对罐式集装箱罐体部分的研究对于罐体设计及分析具有相应的参考。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 研究意义

1．3 流固耦合研究现状

1．4 结构优化设计问题

1．4．1 优化发展进程

1．4．2 研究现状及意义

1．5 论文的主要内容

2 流固耦合

2．1 流固耦合问题

2．1．1 概念及分类

2．1．2 发展进程

2．1．3 研究方法

2．2 数学模型的建立过程

2．2．1 流体运动的基本方程

2．2．2 结构运动的基本方程

3 有限元模型建立

3．1 29m3罐式集装箱的结构介绍

3．2 罐式集装箱的简化

3．3 固体结构有限元模型的建立

3．4 流体结构有限元模型的建立

3．4．1 流体有限元模型软件

3．4．2 ICEM-CFD介绍

3．4．3 流体有限元模型的建立

3．5 流固有限元模型的变形

3．5．1 HyperMorph概述

3．5．2 有限元模型变形步骤

3．6 本章小结

4 罐体冲击强度分析

4．1 前言

4．2 CFX介绍

4．3 CFX设置单双向流固耦合流程介绍

4．3．1 冲击工况的确定以及液体的选取

4．3．2 双向耦合边界条件设置

4．3．3 双向流固耦合流程

4．3．4 单向耦合设置

4．4 求解进程

4．5 求解结果

4．5．1 双向耦合计算结果

4．5．2 单向耦合计算结果

4．6 框架影响验证

4．7 本章小结

5 罐体优化研究

5．1 罐体试验设计分析

5．1．1 选取试验设计方法

5．1．2 因子及水平

5．1．3 输出响应

5．1．4 罐体实验设计的步骤及计算

5．1．5 试验设计结果分析

5．2 建立近似模型并误差分析

5．2．1 近似模型方法简介

5．2．2 克里格模型的建立及误差分析

5．3 本章小结

6 罐体结构优化设计

6．1 结构优化的数学模型

6．1．1 设计变量

6．1．2 目标函数

6．1．3 约束条件

6．1．4 优化问题数学模型的一般形式

6．2 罐体结构优化设计的数学模型

6．2．1 优化三要素的设置

6．3 罐体结构优化设计过程

6．3．1 优化模型的建立

6．3．2 优化算法的选择

6．4 优化进程

6．5 优化设计结果分析

6．6 罐体强度校核

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简介及攻读硕士学位期间获得的研究成果

学位论文数据集