半掛式液罐車罐內(nèi)液體晃動(dòng)及其對(duì)整車側(cè)翻穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀

賈心紅，張竹林，蔣德飛

半掛式液罐車罐內(nèi)液體晃動(dòng)及其對(duì)整車側(cè)翻穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀

賈心紅，張竹林*，蔣德飛

（山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250011）

半掛式液罐車具有載重大、運(yùn)輸效率高、經(jīng)濟(jì)成本低的特點(diǎn)，逐步成為我國液體貨物道路運(yùn)輸?shù)闹髁?。車輛運(yùn)行過程中罐內(nèi)液體晃動(dòng)和車輛運(yùn)動(dòng)之間的耦合作用大大降低車輛的行駛穩(wěn)定性，使液罐車易發(fā)生橫擺、側(cè)翻等問題。文章主要對(duì)罐內(nèi)液體晃動(dòng)的常見研究方法及液體晃動(dòng)對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性影響進(jìn)行總結(jié)分析，為研究半掛式液罐車側(cè)翻穩(wěn)定性提供一定的理論基礎(chǔ)。

半掛式液罐車；液體晃動(dòng)；側(cè)翻穩(wěn)定性

引言

半掛式液罐車載重大、質(zhì)心高且罐體內(nèi)液體容易晃動(dòng)，在某些外界激勵(lì)下非常容易發(fā)生側(cè)翻，再加之其運(yùn)載的液體貨物大多具有易燃易爆、劇毒等危險(xiǎn)屬性，由側(cè)翻引起的液體貨物泄露、燃燒、爆炸等二次事故造成的后果更加嚴(yán)重。影響半掛式液罐車發(fā)生側(cè)翻的原因非常復(fù)雜，一般情況下，半掛式液罐車的罐體處于非滿載狀態(tài)，相比于裝載剛體貨物的半掛車輛而言，即使是在常規(guī)的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等正常行駛過程中，罐內(nèi)液體發(fā)生晃動(dòng)，使得車輛的側(cè)翻幾率也遠(yuǎn)高于裝載等質(zhì)量剛體貨物的半掛車。因此研究半掛式液罐車液體晃動(dòng)機(jī)理及其對(duì)整車側(cè)翻穩(wěn)定性的影響是十分有必要的。

1 罐內(nèi)液體晃動(dòng)研究現(xiàn)狀

液罐車充液系統(tǒng)是同時(shí)包括氣相和液相的復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)，因此對(duì)充液系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模擬分析異常困難。尤其針對(duì)罐內(nèi)液體部分裝載時(shí)，液罐內(nèi)會(huì)出現(xiàn)自由液面，這極大地增加了分析的難度。罐內(nèi)液體晃動(dòng)研究目前多采用準(zhǔn)靜態(tài)液體模型方法、機(jī)械等效力學(xué)模型方法、液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型方法、實(shí)驗(yàn)/仿真法等。

1.1 準(zhǔn)靜態(tài)液體模型方法

靜態(tài)液體模型（QS模型）基于液體靜力平衡微分方程，估算每一時(shí)刻罐內(nèi)液體傾斜度，通過計(jì)算瞬時(shí)液體質(zhì)心位置，得到液體晃動(dòng)的沖擊效果。該模型假設(shè)液體表面是一個(gè)平面并做整體運(yùn)動(dòng)，考慮車輛的離心力和慣性力，其優(yōu)勢是計(jì)算速度快，但該模型局限于形狀規(guī)則罐體，且預(yù)測液體晃動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，無法反應(yīng)液體的動(dòng)態(tài)變化和晃動(dòng)過程。文獻(xiàn)[1]將轉(zhuǎn)向行駛的液罐車罐內(nèi)液面晃動(dòng)視為準(zhǔn)靜態(tài)變化過程，建立準(zhǔn)靜態(tài)液體模型，分析液體晃動(dòng)對(duì)液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[2]建立了非滿載橢圓形罐體準(zhǔn)靜態(tài)液體模型，并與FLUENT瞬時(shí)沖擊仿真結(jié)果對(duì)比得出：FLUENT仿真得到液體瞬時(shí)沖擊的作用力和質(zhì)心位置的平均值與該模型計(jì)算所得基本一致，該模型預(yù)測液罐車側(cè)傾閾值比實(shí)際車輛情況偏高。

1.2 機(jī)械等效力學(xué)模型方法

機(jī)械等效力學(xué)模型就是利用易于分析計(jì)算的機(jī)械模型來近似模擬罐內(nèi)液體晃動(dòng)，將流體動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)問題。常見的機(jī)械等效力學(xué)模型有單擺模型、彈簧－質(zhì)量模型、橢圓規(guī)鐘擺模型等。

文獻(xiàn)[3]等通過建立液罐車等效晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)單擺模型，對(duì)比等質(zhì)量的固體貨物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證液體晃動(dòng)降低整車側(cè)傾穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]等基于液體晃動(dòng)與車輛運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系，建立罐體內(nèi)液體晃動(dòng)等效橢圓軌鐘擺模型，通過液罐車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性分析得到，影響液罐車行駛穩(wěn)定性的主要因素是轉(zhuǎn)載液體質(zhì)量與罐車整體質(zhì)量的比值，應(yīng)該盡量避開液罐車充液比是0.4 : 0.7的情況。文獻(xiàn)[5]將等效單擺模型進(jìn)行參數(shù)化辨識(shí)，即運(yùn)用CFD軟件分析橢圓形截面貯罐內(nèi)液體晃動(dòng)，后通過MATLAB軟件對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)等效力學(xué)模型參數(shù)化，并進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確性。

機(jī)械等效力學(xué)模型是目前分析規(guī)則罐體罐內(nèi)液體晃動(dòng)常用的方法。我們不難發(fā)現(xiàn)機(jī)械等效力學(xué)模型對(duì)于工程上計(jì)算晃動(dòng)力或力矩，能保證模型的實(shí)時(shí)性同時(shí)兼顧準(zhǔn)確性，該模型參數(shù)來源于線性晃動(dòng)理論或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，模擬液體的非線性晃動(dòng)特性存在一定的偏差，難以求解具體的晃動(dòng)細(xì)節(jié)。

1.3 液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型方法

液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型可分為線性動(dòng)力學(xué)法和CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，線性動(dòng)力學(xué)方法一般分析罐內(nèi)液體小幅晃動(dòng)，而CFD可用于求解罐內(nèi)液體復(fù)雜非線性晃動(dòng)，但計(jì)算量比較大。文獻(xiàn)[6]建立帶彈性膜的罐內(nèi)液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，基于液體晃動(dòng)與彈性膜的耦合作用分析彈性膜對(duì)液體晃動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[7]建立了帶橫向防波板的液體晃動(dòng)三維CFD模型，并分析了防波板曲率、開孔大小、形狀、位置等對(duì)液體晃動(dòng)的影響。

1.4 實(shí)驗(yàn)/仿真法

仿真法求解準(zhǔn)確，成本較低、簡單明了，具有明顯優(yōu)勢，尤其隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，建立ANSYS液體仿真模型，已成為目前研究罐內(nèi)液體晃動(dòng)常用方法。罐內(nèi)液體處于復(fù)雜激勵(lì)條件時(shí)，基于線性/非線性理論模型研究及仿真方法，并不能完全反映晃動(dòng)過程物理變化，存在一定的局限性。實(shí)驗(yàn)法能夠真實(shí)反映物理變化過程，但實(shí)車操作危險(xiǎn)度大、成本較高，往往采用等比例縮放液罐或圓柱液罐在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

文獻(xiàn)[8]通過Ansys/Fluent軟件建立液罐車液體晃動(dòng)模型，結(jié)合三自由度液罐車剛體模型，建立車－液耦合的動(dòng)力學(xué)模型，分析罐內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)液罐車橫向穩(wěn)定性的影響。不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于形狀復(fù)雜的罐體，實(shí)驗(yàn)/仿真法來驗(yàn)證分析所建立的模型有效性已成為一種常用方法[9-12]。

根據(jù)上述分析，可知半掛式液罐車罐內(nèi)液體晃動(dòng)研究起步比較晚，很多學(xué)者的研究往往基于準(zhǔn)靜態(tài)方法或等效力學(xué)模型方法來建立罐內(nèi)液體晃動(dòng)模型，然后再與流體仿真軟件進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。雖然節(jié)省部分人力物力，但是研究結(jié)果的精確性不能保證，尤其是液體的非線性晃動(dòng)部分。對(duì)罐內(nèi)液體晃動(dòng)的研究要注重流固耦合機(jī)理研究，重點(diǎn)關(guān)注液體非線性晃動(dòng)，建立流固耦合動(dòng)力學(xué)模型是關(guān)鍵。

2 液罐車液體晃動(dòng)對(duì)側(cè)翻穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀

半掛式液罐車由于載重大、質(zhì)心高且罐體長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輪間距，使得液罐車比普通半掛車更容易發(fā)生擺振、側(cè)滑、側(cè)翻，研究其側(cè)翻穩(wěn)定性是非常必要的?；谝汗捃嚬摅w的形狀結(jié)構(gòu)、內(nèi)置防波板數(shù)量及結(jié)構(gòu)、罐體充液比，車輛行駛工況等分析車輛側(cè)傾穩(wěn)定性，目前這類研究較多，通過對(duì)液罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善車輛的操縱穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[13]研究了液體晃動(dòng)線性激勵(lì)下的整車側(cè)翻穩(wěn)定性，當(dāng)充液比為50%～80%時(shí)，等截面的橢圓形罐體液體晃動(dòng)頻率低于圓形截面，具有較好的側(cè)傾穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[14]分析計(jì)算變截面液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性，在一定范圍內(nèi)，液罐的變截面高度差越大，車輛質(zhì)心越低，越有利于車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15]優(yōu)化了考慮罐內(nèi)液體質(zhì)心變化的車輛三自由度模型，通過仿真得到轉(zhuǎn)向工況下，車輛行駛速度與前輪轉(zhuǎn)角之間的臨界曲線，低于臨界曲線時(shí)，車輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率低，側(cè)傾穩(wěn)定性較好。

除了罐車罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，防側(cè)翻主動(dòng)控制技術(shù)也是提升車輛側(cè)翻穩(wěn)定性的重要研究方向。在車輛的主動(dòng)防側(cè)翻控制方面，目前主要有主動(dòng)懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和差動(dòng)制動(dòng)等幾類控制方式。其中，差動(dòng)制動(dòng)通過對(duì)車輪制動(dòng)力不對(duì)稱分配產(chǎn)生附加橫擺力矩，減小車輛側(cè)傾加速度，降低車速，避免車輛側(cè)翻。文獻(xiàn)[16]基于差動(dòng)制動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種多模型、切換和調(diào)整的自適應(yīng)控制器，來防止車輛的側(cè)翻，并通過受控和非受控車輛對(duì)比驗(yàn)證了此控制器的性能優(yōu)勢。文獻(xiàn)[8]等分析了液罐車在轉(zhuǎn)向或換道時(shí)，車－液耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)整車穩(wěn)定性影響，提出了模糊差動(dòng)制動(dòng)控制策略。仿真實(shí)驗(yàn)表明：模糊PID差動(dòng)制動(dòng)控制，減小了車輛的橫擺角速度、側(cè)傾角和側(cè)向加速度，提高了液罐車行駛穩(wěn)定性。

半掛式液罐車行駛工況復(fù)雜，其側(cè)傾穩(wěn)定性受多重因素影響。目前大多數(shù)學(xué)者研究從車輛自身性能和主動(dòng)安全控制方面來提升車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，綜合分析液罐車行駛工況、路況及駕駛員操縱方面研究相對(duì)較少。半掛式液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性問題，還需充分挖掘各復(fù)雜行駛工況下的駕駛員、道路等影響因素，協(xié)同研究，全面提高液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性。

３ 結(jié)語

半掛式液罐車罐體內(nèi)液晃動(dòng)非常復(fù)雜，建立一種簡單、有效、準(zhǔn)確的液體晃動(dòng)模型是十分重要的。最常用的方法是將液體晃動(dòng)適度簡化，在簡化模型的基礎(chǔ)上建立罐車動(dòng)力學(xué)模型。本文分析了液罐車罐內(nèi)液體晃動(dòng)四種常見方法——準(zhǔn)靜態(tài)液體模型方法、機(jī)械等效力學(xué)模型方法、液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型方法和實(shí)驗(yàn)/仿真法的優(yōu)勢和不足，便于根據(jù)不同的研究需求選擇相應(yīng)的方法。在液罐車臨近側(cè)翻的一定范圍內(nèi)，考慮液體的高階晃動(dòng)和液體晃動(dòng)的非線性特性，而在中低車速、較穩(wěn)定工況中可采用一階單擺模型模擬液體晃動(dòng)[17]。不難發(fā)現(xiàn)，研究過程中罐車內(nèi)液體的非線性晃動(dòng)模擬精確度相對(duì)較差，液體也通?？醋魇抢硐氲牧黧w，忽略了粘性液體阻尼作用對(duì)車輛晃動(dòng)和側(cè)傾穩(wěn)定性的影響。

考慮罐內(nèi)液體晃動(dòng)的液罐車防側(cè)翻控制策略研究已經(jīng)成為安全領(lǐng)域研究的熱門話題。大多研究往往基于單一的側(cè)向動(dòng)力學(xué)建模來研究液罐車側(cè)翻穩(wěn)定性。非滿載液罐車罐內(nèi)液體晃動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，再加上與車輛動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)耦合作用，建立完整有效的液－罐－車耦合動(dòng)力學(xué)模型非常困難。同時(shí)考慮縱向和側(cè)向動(dòng)力學(xué)的建模復(fù)雜，目前研究相對(duì)較少。比如非滿載液罐車在轉(zhuǎn)向制動(dòng)或轉(zhuǎn)向加速復(fù)雜行駛工況下，車－液耦合動(dòng)力學(xué)模型還有待于進(jìn)一步研究。

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Research Status of Influence of Liquid Sloshing in Tank on Rollover Stability of Semi-loaded Tank Truck

JIA Xinhong, ZHANG Zhulin*, JIANG Defei

( School of Automotive Engineering, Shandong Jiaotong University, Shandong Jinan 250011 )

With the characteristics of heavy load, high transportation efficiency and low economic cost, semi-trailer liquid tank truck has gradually become the main force of road transportation of liquid goods in China. The coupling effect between the liquid sloshing in the tank and the vehicle movement greatly reduces the driving stability of the vehicle, and makes the liquid tank vehicle prone to yaw, rollover and other problems.This paper mainly summarizes and analyzes the common research methods of liquid sloshing in the tank and the common control strategies to prevent the rollover of liquid tank truck, so as to provide a certain theoretical basis for the study of the rollover stability of semi-trailer liquid tank truck.

Semi-trailer liquid tank truck;Liquid sloshing;Rollover stability

A

1671-7988(2022)01-193-04

U469.6+1

A

1671-7988(2022)01-193-04

CLC NO.: U469.6+1

賈心紅（1989—），女，山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院；

張竹林（1979—），男，副教授，研究生導(dǎo)師，就職于山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.044