基于ADAMS的某液罐車行駛安全性分析

謝忠輝

東莞市永強汽車有限公司 廣東東莞 523400

1 前言

液罐車是運輸或臨時保存石油化工、農業(yè)、食品等行業(yè)生產的液態(tài)貨物的專用車輛，隨著工農業(yè)的發(fā)展，其在物流業(yè)中的應用越來越廣泛。當運載易燃、易爆、有毒等液態(tài)貨物時，車輛緊急制動、急轉彎、大側傾等危險工況下的安全性值得分析與研究。

對液罐車行駛過程中的安全性問題，王占岐等在1990年時就對液罐車的制動穩(wěn)定性進行了研究[1]，之后張建文對液罐車在轉彎制動工況下行駛穩(wěn)定性和橫擺角速度規(guī)律進行了研究[2]；陳銘年等分析了車輛急轉彎工況條件下車輛穩(wěn)定性[3]；司景萍等對非滿載液罐車在轉彎行駛、側坡行駛等工況下罐內液體質心位置以及整車的橫向穩(wěn)定性進行了分析[4]；于向陽對液罐車在隨機道路激勵條件下車輛的疲勞安全性進行了分析[5]。

正因為液罐車在危險工況下安全性極其重要，且常規(guī)分析方法較難對具體車型進行全面分析，本文針對某液罐車應用ADAMS建立的多體系統(tǒng)動力學模型，分析液罐車常規(guī)行駛的制動、越野道路隨機激勵、蛇行試驗的行駛安全性。

2 液罐車的整車多體系統(tǒng)動力學建模

2.1 液罐車的結構組成

液罐車主要由底盤、罐體、防護裝置、管道系統(tǒng)、人孔、行走系統(tǒng)、滅火器、支撐裝置、副車架及扶梯等組成，如圖1所示。罐體及附件通過螺栓或者其他連接方式與底盤連接，底盤對上裝的作用力與罐體內部應力綜合對車輛的穩(wěn)定性有決定性的影響。

在多剛體系統(tǒng)動力學仿真軟件ADAMS/car中以整車前橋中心為原點建立仿真模型，主要參數如表1所示。

圖1 液罐車結構圖

表1 液罐車基本參數表

其中動力總成、載液罐、罐內液體及其他負載裝置使用點質量進行等效。

2.2 輪胎模型

本文采用魔術公式來描述非線性的輪胎附著特性。魔術公式是通過三角函數的組合，并基于大量試驗數據來模擬輪胎非線性特性的，由于擬合參數較多，模型結構復雜計算量大，但可以獲得較高的擬合精度[6]。魔術公式的基本形式及其參數配置如下式所示：

式中，y(x)可以是側向力，也可以是回正力矩或者縱向力，自變量x可以在不同的情況下分別表示輪胎的側偏角或縱向滑移率；Y為輪胎縱向力或橫向力；X為輪胎的縱向滑移率或橫向滑移率；B為魔術輪胎公式的剛度系數；C為形狀系數；D為峰值系數；E為曲率系數；SH為曲線的水平方向漂移；Sy為曲線的垂直方向漂移。

2.3 懸架系統(tǒng)建模

本文采用ADAMS/Chasis中的leafspring模塊中鋼板彈簧多體模型，根據懸架系統(tǒng)剛度參數與幾何參數建立鋼板彈簧多體模型和懸架總成的模型如圖2所示。

圖2 鋼板彈簧懸架模型

3 液罐車制動性能仿真分析

根據GB 7258要求，液罐車的制動的初速度為30 km/h。模型中車輛采用開環(huán)控制，車輛以30 km/h的速度勻速運動，從3.0 s開始，制動踏板力線性地從0到700 N（最大制動踏板力）。很短時間內，由于緊急制動使輪胎發(fā)生變形，制動加速度上升到lg，如圖3所示。

圖3 制動模擬

由制動仿真輸出曲線圖4～6可見，車輛在3.0 s時開始制動，3.1 s左右時間制動器間隙消除。

3.1～3.6 s制動減速度急劇增加，由于路面附著力限制，制動減速度在3.6 s時增長到最大值，之后由于車輛的慣性作用達到平均制動減速度約0.5g。

3.0 s至液罐車停止時，制動距離為7.5 m，最大制動減速度為0.8g，符合GB 7258強制要求。

圖4 制動減速度隨時間變化

圖5 速度隨時間變化

圖6 位移隨時間變化

4 越野道路上行駛平順性能分析

在某些特殊條件下，車輛需通過非鋪裝道路，本車以20 km/h的車速通過D級道路時的路面譜來進行分析，路面不平度曲線如圖7所示。

圖7 越野路路面不平度曲線

以越野路面不平度曲線為樣本對整車進行隨機激勵，得到整車的隨機響應特性曲線，再對時域響應特性曲線進行FFT（快速傅里葉變換）轉換為加速度功率譜密度曲線，載液罐的三軸向PSD譜線如圖8所示。

可見，在7～8 Hz時z軸線方向上有加速度功率譜為0.7 g2/Hz，為車輪共振頻率段，在5～10 Hz范圍內輸出能量均較大，在垂直方向上需對載液罐進行隔振處理；在y軸方向上20 Hz時有一個較大的峰值，是由整車的側傾所造成。

5 液罐車的蛇行試驗分析

圖8 載液罐的功率譜特性曲線

根據GB/T 6323.1-2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法蛇行試驗要求》，以50 km/h的行駛車速，以方向盤轉角隨時間變化曲線為正弦信號輸入對液罐車整車進行蛇形試驗，考慮側向行駛過程中液體側向沖擊對行駛穩(wěn)定性能影響較大，本文采用文獻[7]中卜凱的方法，先在fluent中計算得到的液體沖擊力和液體質心位移，再將液體沖擊力加載在載液罐壁面上，質心位移以ADAMS中step函數的形式與液罐車的液體位置相關聯(lián)，即可得到液罐車質心側偏角以及車身側傾角速度在有無液體沖擊的時域曲線圖。

由圖9可見，在有液體側向沖擊時，質心側偏角在峰值時有較大的變化；由圖10可見，有側向液體沖擊時車身側傾角速度變化非常劇烈，尤其是在初始5 s內高頻沖擊成分較多，到后期逐漸穩(wěn)定，但峰值仍較無沖擊的高出2倍。

6 結語

a.本文使用ADAMS軟件建立液罐車的多體系統(tǒng)動力學模型，并對液罐車常規(guī)行駛的制動、越野道路隨機激勵、蛇行試驗工況下分別對液罐車行駛安全性進行計算與分析。

b.按GB 7258的要求對制動性能進行分析，該液罐車制動距離為7.5 m，制動減速度為0.8g，滿足法規(guī)要求。

圖9 液罐車質心側偏角有無液體沖擊對比圖

圖10 液罐車車身側傾角速度有無液體沖擊對比圖

c.在越野道路行駛時，垂向加速度功率譜在5～10 Hz輸出能量較大，基本為輪胎共振頻率段，最大峰值為0.7 g2/Hz，垂向方向上載液罐與車輛底盤之間需進行隔振處理。在側向方向上20 Hz時有車身側傾造成的一個峰值，在載液罐的側向方向上也需進行一定的加固處理，以免由于浪涌造成側向加速度耦合。

d.蛇形試驗時，由于液體側向沖擊力對操作穩(wěn)定性影響較大，將液體沖擊力等效加載入系統(tǒng)，可見有液體側向沖擊的車輛蛇形時其側向角加速度變化劇烈，約為無沖擊的2倍，在初始時刻側向角加速度高頻變化較大，后期高頻部分基本衰減，對該種車輛在入彎初期時側向加速度不宜過大，駕駛員須謹慎操作。

e.本文裝載危險品的液罐車的設計方法可以為其他危險車輛的設計提供參考，所計算的動態(tài)數據可以為危險車輛的結構動態(tài)校核設計提供依據。