侧风对储物箱的安全性影响分析与试验

李芳，赵午云，刘延龙

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳 621900)

0 前言

侧风是气象对车辆行驶安全的一个重要影响因素，国内外对侧风作用下的铁路车辆与公路车辆的气动性能的影响研究较早，研究方法包括风洞试验与仿真模拟等。

侧风对车辆行车安全的影响研究工作初始以铁路车辆的行驶安全展开，20世纪90年代前主要研究方法为风洞试验法，通过风洞试验对铁路车辆的气动特性做出研究，近年来随着计算流体力学与计算机计算性能的提高，计算流体仿真研究也逐步开展。

早在1984年，COOPER利用铁路车辆模型在风洞中进行了铁路车辆的气动荷载特征研究，并对路面行动车辆的侧风功率谱函数、互相关函数等函数进行了推导。

后续研究者在研究侧风影响下的列车气动性能时考虑了铁路材料对气动性能的影响，并对不同桥宽、不同侧偏角、不同高度路基进行了试验研究，还针对高速列车开展了基于压力场测试的风洞试验模型研究。

典型的研究成果包括通过Simple算法求解RANS方程，计算得出了列车在侧风影响下的流场基本结构特征；以及使用流体力学软件对高速列车的侧风效应进行模拟，并对网格划分的密度与质量、计算方法、紊流模型及边界设置等对流体力学计算结果的影响进行比较。

国内如西南交通大学等研究机构对于侧风效应研究也较多。如使用流体力学分析软件对双层的列车在侧风影响下的气动升力系数、侧向力系数、侧倾力矩系数等进行了计算，并得到了各系数与车辆速度、侧风强度的数量变化关系。随着CFD仿真软件计算精度提高、计算成本较低，采用数值模拟方法求解列车周边流体流动及其气动性能的研究增多。2011年西南交大于梦阁等假定侧风为定常流动，外部流场选择不可压缩流场模型的设定，对列车在不同强度与侧偏角的侧风影响下的车体与车轮行驶状态做出分析。同年中南大学苗秀娟通过数值模拟手段对侧风影响下的列车气动系数以及其与侧偏角的数量变化关系进行了研究。

目前国内外研究学者主要致力于侧风对运输工具的安全性进行研究，对于文中的研究对象和研究工况，即类似于高原或者劲风等大风速工况、迎风面积较大的大型储物箱的研究相关报道较少。而这种大型储物箱在装卸过程中也面临侧风引起的滑移动和倾覆等安全性问题。针对这一问题，本文作者以固定在移动托盘上的圆柱形储物箱为例，研究在平均风速15 m/s和瞬时风速25 m/s的情况下某种型号尺寸的储物箱的安全性，文中主要以数值仿真的方法计算该储物箱在不同风速工况下的侧向作用力和倾覆力矩，结合摩擦力和力矩计算结果，确定在平均风速15 m/s和瞬时风速25 m/s的情况下该储物箱不会发生滑移和倾覆；针对该型储物箱开展验证试验，试验结果与仿真分析一致，验证了数值仿真结果的有效性。

1 数学模型建立

1.1 原始模型

文中的研究对象为放置在移动托盘上的某种大尺寸型储物箱，两者固联为一个整体。移动托盘材料为6061铝合金，质量为200 kg，托盘两轮之间的宽度为1 600 mm；储物箱的质量为2.9 t，储物箱直径为1 400 mm，长度为2 100 mm，质心距离地面的高度为800 mm，如图1—图3所示。

图1 移动托盘和储物箱组合

图2 移动托盘

图3 储物箱

移动托盘滚轮为铝合金外包覆聚氨酯材料，地面为硬化地面(一般为水泥地面)。

1.2 建立仿真模型

由于移动托盘含有零件较多，实体尺寸跨度较大，在分析软件中容易导致网格划分规模过大、计算资源无法满足的问题。为此，文中仿真对移动托盘的原始模型进行了适当简化。

由于主要分析侧向风对储物箱侧向作用力和力矩后的安全性，因此，只要保证侧向迎风面积不小于托盘侧向迎风面积即可。为此，将移动托盘简化为一个长方体，且不改变储物箱的重心高度。这种简化填补了原来移动托盘很多可以过风的结构，实际上增加了移动托盘的迎风面积，将使得储物箱和移动托盘整体的受力计算结果偏大，对其抗风安全性的评估结论更趋于保守、可靠。简化后的模型如图4所示。

图4 简化后的托盘储物箱模型

由于仿真模型具有对称性，为此，可采用计算半个模型的方式进行计算，半个模型外围的风场尺寸设置为3 000 mm×3 000 mm×6 000 mm，如图5所示。

图5 储物箱外围的风场模型

1.3 网格划分

利用ICEM CFD对流场模型进行网格划分，通过网格无关性验证，综合计算量和仿真结果最终选择了最大网格尺寸设置为100 mm的网格划分方式。在车体表面进行网格加密，第一层网格尺寸设置为10 mm，网格层数为10层，形成的网格划分情况如图6和图7所示。

图6 托盘储物箱网格划分情况

图7 风场模型网格划分情况

1.4 边界条件设置

入口为速度入口，入口风速根据任务需求分别设置为15、25 m/s，湍流强度为2%，湍流直径为6 108 mm；

出口为压力出口，出口压力设置为0，湍流强度为2%，湍流直径为6 108 mm；

对称面设置为对称边界；

其余均设置为壁面边界条件。

湍流模型选择标准-模型，在壁面处进行网格加密处理，求解器选择基于压力基的求解器，当平均风速为15 m/s时，选择稳态时间类型；当瞬态风速为25 m/s时，选择瞬态时间类型。

2 仿真结果与讨论

2.1 侧风对储物箱的作用力和最小倾覆力矩计算

储物箱和移动托盘固联为一个整体放在地面上，假定地面的滑动摩擦因数为0.5，若储物箱发生滑动，则至少需要克服地面的滑动摩擦阻力为15 190 N，计算方法见公式(1)。

===

(1)

式中：为摩擦因数，量纲一化；为摩擦阻力(N)；为正压力(N);为重力(N)；为质量(kg)；为重力加速度。

储物箱和移动托盘固联为一个整体放在地面上，若储物箱发生倾覆，则至少需要克服储物箱和移动托盘自重相对于移动托盘轮胎形成的力矩24 303 N·m，计算方法见公式(2)。移动托盘两侧轮胎间距为1 600 mm，即储物箱重力相对轮胎的翻转力臂为800 mm。

===

(2)

式中：为力矩(N·m)；为力臂(m);文中为重心相对于移动托盘轮胎的距离。

2.2 数值仿真结果

通过数值仿真得到储物箱在不同工况下受到的最大侧向力和翻转力矩分别为1 521 N和931 N·m，远小于理论上发生滑移的摩擦阻力和最小倾覆力矩，因此，该储物箱在2种工况下均不发生滑移和倾覆，安全性能良好。通过数值仿真方法得到各储物箱在不同工况下的压力云图见图8。

图8 不同工况下的压力云图

从图8可看出:风速越大储物箱受到的侧向压力越大，且在迎风面的压力值最大，随着储物箱弧度的变化压力逐渐减小，在储物箱的顶端达到最小值。

综上所述，储物箱在瞬时风速25 m/s时受到的侧向力和翻转力矩均高于在平均风速15 m/s受到的侧向力和翻转力矩，即储物箱在瞬时风速25 m/s时受到的侧向力和侧向力矩最大，最大侧向力为1 521 N，最大翻转力矩为931 N·m。

3 试验验证

3.1 试验方法

试验采用储物箱1∶1质量模拟件，安装固定于移动托盘上，移动托盘静置于地面。在储物箱质量模拟件的质心位置附近，正侧向施加静态拉力载荷，模拟储物箱及移动托盘整体受到到强风侵袭的工况。试验系统组成如图9所示。

图9 侧向力加载验证试验系统

试验加载时，拉索的一头系固于质量模拟件的芯轴上(水平位置位于储物箱的质心位置)；加载力通过负载(铁块)重力稳定施加；支架主要起到力的换向作用，让负载重力转换为对储物箱的侧向拉力；配重块起到固定支架的作用。

3.2 试验结果

实验所加负载为3 193 N，由3块尺寸相同的铁块焊接而成，单个铁块质量108.6 kg。加载状态如图10所示。

图10 侧向力加载验证试验系统加载状态

负载对移动托盘和储物箱质量模拟件施加的侧向拉力为3 193 N(3×108.6 kg×9.8 m/s)，试验结果表明：移动托盘和储物箱质量模拟件整体无滑移、未侧翻。

侧向力的安全系数：3 193 N/1 521 N=2.1。

侧向力的翻转力矩安全系数：3 193 N×0.8 m/931 N·m=2.7。

其中：0.8 m为储物箱质心距地面距离;931 N·m为储物箱在25 m/s瞬时风速条件下所受翻转力矩的仿真计算值。

按照仿真计算结果，储物箱在25 m/s瞬时风速条件下，至少具有2倍的抗风安全系数，满足安全性设计要求。

4 结论

针对大尺寸储物箱在侧风作用下的安全性问题，利用FLUENT软件对储物箱周围的流场形态进行模拟，得到了该储物箱分别在平均风速15 m/s和瞬时风速25 m/s作用下的侧向作用力和作用力矩。在不同工况下风的最大侧向力和翻转力矩均远远小于储物箱和移动托盘整体相对于地面的滑动摩擦阻力和最小倾覆力矩。针对该储物箱质量模拟件开展了模拟抗风验证试验，当侧向加载力为3 193 N时，整体无侧向滑移、未产生侧翻，满足在大风速作用下在运输工具上装卸的安全性要求。