非滿載液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性模型研究

于迪　李顯生　劉宏飛　鄭雪蓮　徐藝

摘 要：為了解決非滿載液罐車在轉(zhuǎn)向過程中側(cè)傾穩(wěn)定性差的問題，建立了非滿載液罐車罐內(nèi)液體沖擊等效機(jī)械模型及整車運(yùn)動學(xué)模型， 運(yùn)用流固動力學(xué)耦合原理對兩者進(jìn)行耦合.運(yùn)用此模型對5種不同尺寸比例的橢圓形截面罐體進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)橢圓長軸（2a）與短軸（2b）之比為1.5時，液罐車所受罐內(nèi)液體沖擊力及力矩最小，具有較好的側(cè)傾穩(wěn)定性.研究結(jié)果為液罐車行車側(cè)傾穩(wěn)定性的研究和整車設(shè)計，提供了理論和技術(shù)支持.

關(guān)鍵詞：液體沖擊；非滿載液罐車；側(cè)傾穩(wěn)定性；等效機(jī)械模型；罐體尺寸

中圖分類號：U469.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to solve bad roll stability problem of partially-filled tanker in the process of steering， the liquid sloshing equivalent mechanical model and the partially filled tanker vehicle motion model were developed. Two models were coupled by dynamics of solid-fluid interaction. Five different size proportions of elliptical tankers cross section were selected to simulate， it is concluded that the tanker has better roll stability because it has minimum sloshing force and moment， when long axis （2a） and short axis （2b） of the elliptical is the ratio of 1.5. The results provide technical support for the tankers driving roll stability research and vehicle design.

Key words：liquid sloshing； partially-filled tank truck； roll stability； equivalent mechanical model； tank size

非滿載液罐車發(fā)生側(cè)翻事故將會引起嚴(yán)重后果，具有影響范圍大、程度深、人員傷亡嚴(yán)重、環(huán)境破壞劇烈的特點(diǎn)，因此解決非滿載液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性差的問題顯得尤為重要[1].發(fā)生在高速公路上的液罐車交通事故比重較大，大多發(fā)生在轉(zhuǎn)彎路段[1].研究發(fā)現(xiàn)，與固體貨物不同，液體貨物具有易變形和流動特性，罐車在非滿載狀態(tài)下有較大的自由流動空間，這使得罐內(nèi)液體晃動成為了可能[2-3].罐內(nèi)液體質(zhì)心高度和側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移量大小是影響非滿載液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性的重要因素[4-5].

許多學(xué)者做了非滿載罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性研究.Popov等[6]為了優(yōu)化橢圓形截面液罐車的尺寸參數(shù)，對基于液體質(zhì)心高度的傾覆力矩進(jìn)行了研究，研究表明側(cè)覆力矩的改善有利于提高液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性，因此優(yōu)化傾覆力矩尤為重要.Budiansky[7]在研究罐體內(nèi)液體沖擊時發(fā)現(xiàn)，液體沖擊是一種由于罐體運(yùn)動引起的罐內(nèi)液體振動現(xiàn)象.液體的沖擊與罐體幾何尺寸、充液水平和振動頻率范圍等因素有關(guān).此外，Hasheminejad等[8]研究得出結(jié)論，沖擊頻率和沖擊力的大小也與這些因素有關(guān)，對車輛行駛狀態(tài)研究的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其振動頻率相對于罐內(nèi)液體的沖擊頻率很小，因此共振現(xiàn)象可以忽略.

目前對于罐內(nèi)液體沖擊的研究方法主要有：準(zhǔn)靜態(tài)（Quasi-Static）方法[6]、流體動力學(xué)法[9]、等效機(jī)械模型法[10].準(zhǔn)靜態(tài)方法推導(dǎo)過程比較簡單，但精度不高.流體動力學(xué)法受限于罐體內(nèi)液體沖擊現(xiàn)象的觀察和解釋，在理論分析上較為困難.利用等效機(jī)械模型研究液體沖擊運(yùn)動，將會為液罐車制動性和行駛穩(wěn)定性問題的研究帶來諸多便利，且精度較高，該方法將流體動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動問題，在一定程度上彌補(bǔ)了流體動力學(xué)方法的不足.等效機(jī)械模型主要有彈簧質(zhì)量模型與單擺模型.彈簧質(zhì)量模型多用于描述線性橫向振動模態(tài)；單擺模型的突出優(yōu)點(diǎn)在于描述罐內(nèi)液體大幅振動.

本文建立了非滿載液罐車整車動力學(xué)模型和等效機(jī)械模型進(jìn)行流固動力學(xué)耦合，獲得非滿載液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性模型.

1 非滿載液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性模型

1.1 罐內(nèi)液體沖擊等效機(jī)械模型

液罐車是危險化學(xué)品道路運(yùn)輸?shù)闹匾d體，其交通事故極易造成嚴(yán)重的人員傷亡和環(huán)境污染.非滿載液罐車罐體內(nèi)的液體沖擊是造成液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性下降的主因，本文的研究對象為如圖1所示的液罐車.

3 結(jié) 論

本文建立了液罐車整車運(yùn)動學(xué)模型和液體沖擊等效機(jī)械模型進(jìn)行流固動力學(xué)耦合，選取5種不同尺寸比例的橢圓形截面罐體進(jìn)行仿真試驗(yàn).結(jié)果表明，當(dāng)橢圓形長軸（2a）與短軸（2b）之比為1.50時，具有較好的側(cè)傾穩(wěn)定性.通過仿真試驗(yàn)得出結(jié)論，罐體受到的沖擊力及力矩，與罐體尺寸、充液比和自由液面長度等有關(guān).實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性和可信性.本文研究結(jié)果可以應(yīng)用在整車設(shè)計環(huán)節(jié)，針對不同截面形狀和面積，計算出側(cè)傾穩(wěn)定性最佳的罐體截面尺寸，設(shè)計出合理的罐體，從而降低研發(fā)和實(shí)車試驗(yàn)成本.

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