半挂液罐车横向运动液体晃动动力学特性分析
随着半挂液罐车数量的增多其稳定性也越来越受到大家的关注。由于半挂液罐车的质量大，体积大，质心高等一些特点，所以在转弯、加速时及其容易发生侧翻等交通事故。本文针对罐车这些特点，利用GAMBIT软件分别建立在不同工况下的罐体模型，进行网格划分后导入FLUENT软件进行仿真分析，分别分析不同侧向加速度时罐体内液体的晃动对罐体的影响；不同充液比时液体晃动对罐体产生的影响；不同防波板数量液体晃动对罐体的影响。通过研究这些工况分析罐车行驶过程中的侧向稳定性。为以后提高罐车的稳定性的相关研究提供数据支撑。关键词 半挂液罐车，横向运动，动力学特性，行驶稳定性
目 录
1 绪论 1
1.1 课题来源 1
1.2 研究背景及意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文主要研究内容 2
2 液罐模型的建立与求解 3
2.1 FLUENT和GAMBIT软件简介 3
2.2 罐车建模与边界条件确定 4
2.3 FLUENT求解器设置 4
3 液罐车液体晃动动力学分析 6
3.1 不同侧向加速度时罐体受到的液体晃动力分析 6
3.2 不同数量防波板时罐体受到的液体晃动力分析 6
3.3 不同充液比时罐体受到的液体晃动力分析 7
总结 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题来源
本课题来源于国家自然科学基金项目：半挂液罐车液固耦合机理与横向稳定性控制研究（51675212）。
1.2 研究背景及意义
目前随着公路交通运输业及物流业的发展，能源供应日益紧张，半挂液罐车已经越来越多出现在我们的生活中。半挂液罐车是主要应用于装罐运输液体物质的专用车辆，因为它的灵活、方便、制造周期短等特点，已经成为目前像水、燃油、饮料、牛奶、酸类液体的主要运载设备之一。车的整车装备质量以及装载质量将直接影响着半挂液罐车的运输成本的高低。研究发现大型液罐车的装载系数比中型高30%—50%左右，大型液罐车的运输里程超过100 km，而一般货车的运输里程在100 km以内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
。欧洲国家使用的大型液罐车比较多。半挂液罐车比全挂车相对较短，经济性相对高30%，在德国，对总质量38 t的半挂液罐车油耗比货车低13%，年保修费用低17.5% ，根据苏联的某公司统计，当运距为16 km时，用17000 L的半挂液罐车比用4200 L的货车运输成本低50%，因此，半挂液罐车国内外得到广泛应用。
半挂液罐车不仅质量大、体积大，而且质心高。因此具有惯性大的特点。又因为重型牵引车和半挂车是相互耦合的所以半挂液罐车在行驶过程中极其容易发生侧翻或者摆震等危险，这也导致了目前公路交通事故的频发成为了制约道路交通运输业发展的重要因素。半挂液罐车在运输过程中不可避免的会有道路的颠簸，道路转弯等，因此罐体内液体的晃动也会不可避免出现这就对罐体的影响有所加大，从而导致了罐车行驶稳定性的降低。我国95%以上的危化品依靠汽车罐车来运输，罐车作为液体危险化学品公路运输主体，年运货量高达到40亿吨。
液罐车的运输虽然为危化品的异地交换提供了极大的便利，但是它给人类的生命财产安全造成的威胁也是不可忽视的。近年来，罐车的突发事故也是逐渐增多。2006年1月至2016年6月间就发生了81起液化天然气罐车事件[1]，2016年4月到7月短短三个月时间发生了7起罐车交通事故，致使人员伤亡损失惨重。所以研究半挂式液罐车的动力学特性和稳定性具有重要理论价值和现实意义。本文主要针对不同侧向加速度、不同数量防波板、不同充液比情况下罐车运动稳定性的动力学特性分析。
图1.1 罐车爆炸 图1.2 罐车侧翻
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
大型液罐车保有量较大的国家有德国、巴西、比利时、澳大利亚、瑞典等等。在美国、墨西哥、加拿大，大约每年有220000车辆运送300万的装车辆的货物。在液罐车的保有量中，货车式、半挂式、全挂式罐车的比例大约是2：4：1。近年来也有很多国内外学者对罐车内的液体晃动问题进行了大量的试验研究。
Aquaro主要研究了车辆不同部位的弹性问题，研究过程中采用了有限元结构模型发现侧翻时车辆的不同部位的弹性对车辆的侧翻的影响都可以利用有限元（FEM）进行模拟[2]。
Mohamed I. Salem试验了重型半挂液罐车的椭圆率、流体及惯性矩、悬挂的柔顺性和液罐的激振频率对车辆侧翻的影响，并建立了二维和三维模型进行仿真，研究过程也采用了特拉梅尔摆模型，结果发现要想得到更精确的罐车的充液比和车辆的侧翻阈值就要使得特拉梅尔摆模型参数更准确[3]。
Djavareshkian分析了罐车在不同充液比情况下的液体横向晃动情况，也分析了圆柱形罐体在不同罐体半径情况下液体横向晃动对罐体的冲击力，进而分析罐车侧向稳定性的控制方法。研究做成采用了VOF（volum of fluid）方法[4]。
Gavrilyuk等人分析了带有防波板的二维圆柱形罐体的稳定，不是非线性流体的假设，而是采用线性的相关理论，以流势假设为基础，研究了流体晃动线性化问题，近似求解了液体晃动的频率和模态为建立非线性模态模型以及估计挡板附近阻尼的提供了依据[5]。
James P等人研究了槽罐挂车罐体内液体纵向和横向的稳定性，利用有限元模拟的方法对不同充液比时液罐车横向晃动进行了数值模拟最后得到了相关结果。为以后的半挂液罐车的研究提供了数据支撑[6]。
Moiseev研究了罐体中液体非线性晃动的相关问题，利用非线性常微分方程的三点边值问题，研究过程中对于罐体中液罐的形状是任意的。以后的许多学者也对n点非齐次边值问题进行了探索与研究，也对以后的流体的分析提供了理论依据[7]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题来源 1
1.2 研究背景及意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文主要研究内容 2
2 液罐模型的建立与求解 3
2.1 FLUENT和GAMBIT软件简介 3
2.2 罐车建模与边界条件确定 4
2.3 FLUENT求解器设置 4
3 液罐车液体晃动动力学分析 6
3.1 不同侧向加速度时罐体受到的液体晃动力分析 6
3.2 不同数量防波板时罐体受到的液体晃动力分析 6
3.3 不同充液比时罐体受到的液体晃动力分析 7
总结 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题来源
本课题来源于国家自然科学基金项目：半挂液罐车液固耦合机理与横向稳定性控制研究（51675212）。
1.2 研究背景及意义
目前随着公路交通运输业及物流业的发展，能源供应日益紧张，半挂液罐车已经越来越多出现在我们的生活中。半挂液罐车是主要应用于装罐运输液体物质的专用车辆，因为它的灵活、方便、制造周期短等特点，已经成为目前像水、燃油、饮料、牛奶、酸类液体的主要运载设备之一。车的整车装备质量以及装载质量将直接影响着半挂液罐车的运输成本的高低。研究发现大型液罐车的装载系数比中型高30%—50%左右，大型液罐车的运输里程超过100 km，而一般货车的运输里程在100 km以内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
。欧洲国家使用的大型液罐车比较多。半挂液罐车比全挂车相对较短，经济性相对高30%，在德国，对总质量38 t的半挂液罐车油耗比货车低13%，年保修费用低17.5% ，根据苏联的某公司统计，当运距为16 km时，用17000 L的半挂液罐车比用4200 L的货车运输成本低50%，因此，半挂液罐车国内外得到广泛应用。
半挂液罐车不仅质量大、体积大，而且质心高。因此具有惯性大的特点。又因为重型牵引车和半挂车是相互耦合的所以半挂液罐车在行驶过程中极其容易发生侧翻或者摆震等危险，这也导致了目前公路交通事故的频发成为了制约道路交通运输业发展的重要因素。半挂液罐车在运输过程中不可避免的会有道路的颠簸，道路转弯等，因此罐体内液体的晃动也会不可避免出现这就对罐体的影响有所加大，从而导致了罐车行驶稳定性的降低。我国95%以上的危化品依靠汽车罐车来运输，罐车作为液体危险化学品公路运输主体，年运货量高达到40亿吨。
液罐车的运输虽然为危化品的异地交换提供了极大的便利，但是它给人类的生命财产安全造成的威胁也是不可忽视的。近年来，罐车的突发事故也是逐渐增多。2006年1月至2016年6月间就发生了81起液化天然气罐车事件[1]，2016年4月到7月短短三个月时间发生了7起罐车交通事故，致使人员伤亡损失惨重。所以研究半挂式液罐车的动力学特性和稳定性具有重要理论价值和现实意义。本文主要针对不同侧向加速度、不同数量防波板、不同充液比情况下罐车运动稳定性的动力学特性分析。
图1.1 罐车爆炸 图1.2 罐车侧翻
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
大型液罐车保有量较大的国家有德国、巴西、比利时、澳大利亚、瑞典等等。在美国、墨西哥、加拿大，大约每年有220000车辆运送300万的装车辆的货物。在液罐车的保有量中，货车式、半挂式、全挂式罐车的比例大约是2：4：1。近年来也有很多国内外学者对罐车内的液体晃动问题进行了大量的试验研究。
Aquaro主要研究了车辆不同部位的弹性问题，研究过程中采用了有限元结构模型发现侧翻时车辆的不同部位的弹性对车辆的侧翻的影响都可以利用有限元（FEM）进行模拟[2]。
Mohamed I. Salem试验了重型半挂液罐车的椭圆率、流体及惯性矩、悬挂的柔顺性和液罐的激振频率对车辆侧翻的影响，并建立了二维和三维模型进行仿真，研究过程也采用了特拉梅尔摆模型，结果发现要想得到更精确的罐车的充液比和车辆的侧翻阈值就要使得特拉梅尔摆模型参数更准确[3]。
Djavareshkian分析了罐车在不同充液比情况下的液体横向晃动情况，也分析了圆柱形罐体在不同罐体半径情况下液体横向晃动对罐体的冲击力，进而分析罐车侧向稳定性的控制方法。研究做成采用了VOF（volum of fluid）方法[4]。
Gavrilyuk等人分析了带有防波板的二维圆柱形罐体的稳定，不是非线性流体的假设，而是采用线性的相关理论，以流势假设为基础，研究了流体晃动线性化问题，近似求解了液体晃动的频率和模态为建立非线性模态模型以及估计挡板附近阻尼的提供了依据[5]。
James P等人研究了槽罐挂车罐体内液体纵向和横向的稳定性，利用有限元模拟的方法对不同充液比时液罐车横向晃动进行了数值模拟最后得到了相关结果。为以后的半挂液罐车的研究提供了数据支撑[6]。
Moiseev研究了罐体中液体非线性晃动的相关问题，利用非线性常微分方程的三点边值问题，研究过程中对于罐体中液罐的形状是任意的。以后的许多学者也对n点非齐次边值问题进行了探索与研究，也对以后的流体的分析提供了理论依据[7]。
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