液体晃动对罐车横向稳定性的影响研究
重型半挂液罐车由于货运量和周转量较大等优点，所以在危化品运输领域应用很广泛。但重型半挂液罐车的液体晃动会产生额外的作用力和力矩，因此其在一定工况下很容易发生摆振、侧翻、折叠等危险的情况。本文通过Trucksim动力学建模软件，在确定车辆各项参数之后，建立重型半挂液罐车动力学模型。在各项仿真参数均一致的情况下分别设置考虑液体晃动和不考虑液体晃动的两组仿真模型。从Trucksim输出的曲线图分析液体晃动对车辆的影响，最终得出液体晃动会增大车辆侧倾角、横向加速度、横摆角和横摆角速度，降低车辆行驶时的横向稳定性。关键词 重型半挂液罐车，液体晃动，车辆动力学模型，横向稳定性
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1
1.4 本文主要研究内容5
2 重型半挂液罐车仿真模型的分析和搭建 6
2.1 Trucksim动力学建模软件简介6
2.2 半挂液罐车动力学模型结构7
2.3 半挂液罐车动力学模型搭建8
3 液体晃动对半挂液罐车横向稳定性的影响分析17
3.1 仿真工况设置17
3.2 仿真结果分析18
结论 23
致谢 24
参考文献25
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
近些年来，随着我国交通运输行业的持续高速发展，重型载货汽车得到了广泛的应用。其中，重型半挂液罐车由于其运输效率高、成本低的特点，在危险化学品运输中的应用十分普遍。据统计，我国的危化品有95%都要依靠液罐车进行异地运输，其年货运周转量高达40亿吨。预计到2020年，我国重型载货汽车产量将达100万辆。随着经济的发展，重型半挂液罐车将得到更加广泛的应用，其保有量将持续增加。
但另一方面，重型半挂液罐车由于其质量和惯量较大、罐体液体质心位置较高、液体晃动产生冲击等特点，使其在运动状态发生改变时易发生车体横摆和振动、车 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
体侧向翻滚、牵引车和半挂车重叠等危险工况。重型半挂液罐车的质量和质心位置与其充液量密切相关。充液量大时其质量大且质心位置较高，充液量小时其质量小且质心位置较低。在实际生产生活中，重型半挂液罐车常处于非满载状态。当行驶工况发生改变时，其质心位置将随着液体晃动发生变化。同时罐体还会受到液体晃动所产生的瞬态冲击，使重型半挂液罐车的侧倾稳定性大幅降低，使得车辆侧翻的可能性大大增加。
综上所述，对重型半挂液罐车在转弯过程中产生的液体晃动对其横向稳定性的影响因素进行研究，对于提高车辆的操纵稳定性和增半挂液罐车的行驶安全性、降低事故发生几率具有十分重要的现实意义。
1．3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
目前，国内对重型半挂液罐车的研究主要从两个方面进行。一方面是对液体晃动对罐体的影响；另一方面是建立车辆动力学模型，并研究液体晃动对车辆动力学特性的影响。液罐车的液体晃动既受到罐体几何形状的影响，同时也会因为车辆不同的运动方式而表现出不同的运动形式。液体晃动较普遍的运动形式包括液体非平面晃动、液体旋转运动和周期运动，还可能出现参数谐振、内共振等非线性运动状态。对于液体晃动问题的研究，从早期的纯理论研究到现在常见的数值研究，其研究的准确度不断提高。在车辆动力学特性研究方面，相关的计算机建模方法已经十分成熟，常见的动力学模型建模软件有MSC.ADAMS、DADS、SIMPACK、AUTOSIM等。通过确定车辆具体物理结构组成或者动力学特性，即可准确的建立车辆动力学模型。在液体晃动对车辆的稳定性影响的研究中，一般是先分别研究液体的晃动问题和车辆的动力学建模，然后结合两者的运动规律来分析影响。
胡晓明等采用势流理论对液罐车的液体晃动问题进行了研究。在建立理论模型时，将半挂车刚体模型和等效液体模型进行耦合，并引入液体晃动所产生的力和压力，通过观察仿真数据分析产生的力和压力对液罐车横向稳定性的影响。分析结果显示，不同工况下液体晃动对车辆的稳定性影响不同。阶跃转向时车辆的侧倾角与液体晃动程度呈正相关，而双移线工况下车辆的侧倾角变化并不大。但相对来看，双移线工况下的车身横向加速度和牵引车与半挂车的铰接角与液体晃动的程度呈正相关。比较不同充液率条件下的仿真数据，得出充液率为1.2时罐车受液体晃动影响最大。
何三慧利用GAMBIT建立液罐模型，通过FLUENT软件对液体横向晃动进行分析，并得到充液比相同而侧向加速度不同、侧向加速度相同而充液比不同等几种工况下，液体晃动所产生的力和力矩。将得到的力和力矩看作为罐内液体晃动对罐体的作用，利用Trucksim建立重型半挂液罐车动力学模型，通过Matlab/Simulink 模块进行联合仿真。由仿真数据分析液体晃动对罐车横向稳定性的影响因素，并在Simulink中建立罐车差动控制系统。将差动控制系统与罐车模型结合进行仿真分析，仿真结果证实了对车辆施加差动控制策略后，可明显提高重型半挂液罐车转向过程中的横向稳定性。
谢普将罐体内液体晃动情况等效为线性单摆阻尼系统，并联合该系统模型与重型半挂液罐车等效刚体模型，建立重型半挂液罐车仿真模型。并在高附鱼钩和双移线两种工况下，对比研究了不同车速下，液体晃动对重型半挂液罐车横向稳定性的影响。
贾会星采用VOF法对罐车罐体内液体晃动特性进行数值模拟，研究了转向行驶和制动工况下罐车的横向稳定性变化情况。根据仿真结果分析，车速越高、制动力越大则液罐车的制动稳定性越低；增设防波板的液罐车其制动稳定性明显高于无防波板的液罐车。液罐车转向行驶过程中，其侧向加速度和充液比越高则液罐车的稳定性越低。同时，增设防波板也可显著提高液罐车在转向过程中的行驶稳定性。
林永智在实际加油车的基础上，总结了重型半挂液罐车不同截面曲线参数时的液罐车罐体截面面积和车辆横向稳定性的变化规则。根据实验结果指出罐体截面顶线和侧围曲线的曲率变化增大则横向稳定性增加，反之亦然；但截面底线曲率的变化对重型半挂液罐车横向稳定性没有影响。
张建文建立了具有不同充液比的罐车转弯时制动稳定性的理论模型，根据分析结果得出在罐体充液量在30%75%时，罐车的转弯制动时的横向稳定性最差。
卢军根据流固耦合动力学和车辆动力学，建立了21自由度的重型半挂液罐车横向运动的线性模型。在模型基础上，设置实验工况为蛇行工况，分别设置不同充液比的重型半挂液罐车作为对照组。研究了具有不同充液比的液罐车在蛇行工况下的临界速度，同时也将没有液体晃动的液罐车的临界速度与具有不充液比的液罐车的临界速度进行了对比分析。
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1
1.4 本文主要研究内容5
2 重型半挂液罐车仿真模型的分析和搭建 6
2.1 Trucksim动力学建模软件简介6
2.2 半挂液罐车动力学模型结构7
2.3 半挂液罐车动力学模型搭建8
3 液体晃动对半挂液罐车横向稳定性的影响分析17
3.1 仿真工况设置17
3.2 仿真结果分析18
结论 23
致谢 24
参考文献25
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
近些年来，随着我国交通运输行业的持续高速发展，重型载货汽车得到了广泛的应用。其中，重型半挂液罐车由于其运输效率高、成本低的特点，在危险化学品运输中的应用十分普遍。据统计，我国的危化品有95%都要依靠液罐车进行异地运输，其年货运周转量高达40亿吨。预计到2020年，我国重型载货汽车产量将达100万辆。随着经济的发展，重型半挂液罐车将得到更加广泛的应用，其保有量将持续增加。
但另一方面，重型半挂液罐车由于其质量和惯量较大、罐体液体质心位置较高、液体晃动产生冲击等特点，使其在运动状态发生改变时易发生车体横摆和振动、车 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
体侧向翻滚、牵引车和半挂车重叠等危险工况。重型半挂液罐车的质量和质心位置与其充液量密切相关。充液量大时其质量大且质心位置较高，充液量小时其质量小且质心位置较低。在实际生产生活中，重型半挂液罐车常处于非满载状态。当行驶工况发生改变时，其质心位置将随着液体晃动发生变化。同时罐体还会受到液体晃动所产生的瞬态冲击，使重型半挂液罐车的侧倾稳定性大幅降低，使得车辆侧翻的可能性大大增加。
综上所述，对重型半挂液罐车在转弯过程中产生的液体晃动对其横向稳定性的影响因素进行研究，对于提高车辆的操纵稳定性和增半挂液罐车的行驶安全性、降低事故发生几率具有十分重要的现实意义。
1．3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
目前，国内对重型半挂液罐车的研究主要从两个方面进行。一方面是对液体晃动对罐体的影响；另一方面是建立车辆动力学模型，并研究液体晃动对车辆动力学特性的影响。液罐车的液体晃动既受到罐体几何形状的影响，同时也会因为车辆不同的运动方式而表现出不同的运动形式。液体晃动较普遍的运动形式包括液体非平面晃动、液体旋转运动和周期运动，还可能出现参数谐振、内共振等非线性运动状态。对于液体晃动问题的研究，从早期的纯理论研究到现在常见的数值研究，其研究的准确度不断提高。在车辆动力学特性研究方面，相关的计算机建模方法已经十分成熟，常见的动力学模型建模软件有MSC.ADAMS、DADS、SIMPACK、AUTOSIM等。通过确定车辆具体物理结构组成或者动力学特性，即可准确的建立车辆动力学模型。在液体晃动对车辆的稳定性影响的研究中，一般是先分别研究液体的晃动问题和车辆的动力学建模，然后结合两者的运动规律来分析影响。
胡晓明等采用势流理论对液罐车的液体晃动问题进行了研究。在建立理论模型时，将半挂车刚体模型和等效液体模型进行耦合，并引入液体晃动所产生的力和压力，通过观察仿真数据分析产生的力和压力对液罐车横向稳定性的影响。分析结果显示，不同工况下液体晃动对车辆的稳定性影响不同。阶跃转向时车辆的侧倾角与液体晃动程度呈正相关，而双移线工况下车辆的侧倾角变化并不大。但相对来看，双移线工况下的车身横向加速度和牵引车与半挂车的铰接角与液体晃动的程度呈正相关。比较不同充液率条件下的仿真数据，得出充液率为1.2时罐车受液体晃动影响最大。
何三慧利用GAMBIT建立液罐模型，通过FLUENT软件对液体横向晃动进行分析，并得到充液比相同而侧向加速度不同、侧向加速度相同而充液比不同等几种工况下，液体晃动所产生的力和力矩。将得到的力和力矩看作为罐内液体晃动对罐体的作用，利用Trucksim建立重型半挂液罐车动力学模型，通过Matlab/Simulink 模块进行联合仿真。由仿真数据分析液体晃动对罐车横向稳定性的影响因素，并在Simulink中建立罐车差动控制系统。将差动控制系统与罐车模型结合进行仿真分析，仿真结果证实了对车辆施加差动控制策略后，可明显提高重型半挂液罐车转向过程中的横向稳定性。
谢普将罐体内液体晃动情况等效为线性单摆阻尼系统，并联合该系统模型与重型半挂液罐车等效刚体模型，建立重型半挂液罐车仿真模型。并在高附鱼钩和双移线两种工况下，对比研究了不同车速下，液体晃动对重型半挂液罐车横向稳定性的影响。
贾会星采用VOF法对罐车罐体内液体晃动特性进行数值模拟，研究了转向行驶和制动工况下罐车的横向稳定性变化情况。根据仿真结果分析，车速越高、制动力越大则液罐车的制动稳定性越低；增设防波板的液罐车其制动稳定性明显高于无防波板的液罐车。液罐车转向行驶过程中，其侧向加速度和充液比越高则液罐车的稳定性越低。同时，增设防波板也可显著提高液罐车在转向过程中的行驶稳定性。
林永智在实际加油车的基础上，总结了重型半挂液罐车不同截面曲线参数时的液罐车罐体截面面积和车辆横向稳定性的变化规则。根据实验结果指出罐体截面顶线和侧围曲线的曲率变化增大则横向稳定性增加，反之亦然；但截面底线曲率的变化对重型半挂液罐车横向稳定性没有影响。
张建文建立了具有不同充液比的罐车转弯时制动稳定性的理论模型，根据分析结果得出在罐体充液量在30%75%时，罐车的转弯制动时的横向稳定性最差。
卢军根据流固耦合动力学和车辆动力学，建立了21自由度的重型半挂液罐车横向运动的线性模型。在模型基础上，设置实验工况为蛇行工况，分别设置不同充液比的重型半挂液罐车作为对照组。研究了具有不同充液比的液罐车在蛇行工况下的临界速度，同时也将没有液体晃动的液罐车的临界速度与具有不充液比的液罐车的临界速度进行了对比分析。
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