危化品罐车液体晃动模拟试验台设计(附件)
近几年，液罐车已经逐渐成为公路运输的不可或缺的一部分，其介质大多为液体。由于液体容易流动，从而使得罐体内的液体产生晃动，特别是危化品液体的晃动，易对罐车的稳定性造成影响，从而影响到道路运输的安全性。本文首先分析了液体晃动特性的研究现状和试验台的研究现状，然后经过计算确定模拟试验台为六自由度，并且根据公式计算出电动缸的行程和最大伸缩量、电动机所需功率、传感器的量程和灵敏度，以此来确定电动缸、电动机、传感器的选型，最后通过Pro/E软件绘制六自由度运动平台的三维图，从而更好地研究罐车内的液体晃动对横向运动的影响。关键词 液罐车，液体晃动特性，六自由度，试验台
目 录
1 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 液体晃动特性研究现状 1
1.3 液体晃动试验台研究现状 2
1.4 论文研究内容 3
2 总体设计方案 3
2.1 设计原则 3
2.2 系统总体框架 4
2.3 系统组成 5
2.4 系统功能 5
3 六自由度平台动力学分析 6
3.1 六自由度运动平台总体结构 6
3.2 六自由度运动平台运动学模型 6
4 试验台结构设计 9
4.1 试验罐体设计 9
4.2 传感器选取 9
4.3 六自由度平台选取 12
5 机械运动系统设计 16
5.1 Pro/E简介 16
5.2 六自由度平台建模 17
5.3 其它零件的实体建模 22
5.4 六自由度晃动试验台的装配 23
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
1.1 选题背景及意义
液罐车是公路运输的常用车辆，能够运输许多类型的液状货物，比如水、汽油、柴油、化学危险物品、易爆物品等，液罐车的普及不仅与人们的生活必需品密切相关，而且对我国经济的发展起着重大作用。我国在炼油厂和加油站之间以及油库之间不铺设运输燃油的管道，从而使人们对油罐车的需求量逐渐增加， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
而且在我国西部大开发地区，人们通过开发油气资源带动了我国油业的发展，大大增加了人们对罐式运输车的需求量[1]，罐式运输车已成为一种迅速发展的具有特殊用途的车辆。
然而，在运输过程中，液体晃动所造成的后果十分严重。液罐车在爬坡或者加速行驶时罐内液体向罐车后方流动，在减速或着下坡过程中罐内液体往前流动，当罐车转弯时罐内液体向罐体外侧飘动，而且当液罐车采取紧急制动措施时罐内液体会猛烈的前冲，液罐车行驶在凹凸不平的路面上，罐内液体会发生不同程度的猛烈波动。这种不同程度的波动冲击作用到罐体上，不仅会对罐体结构造成极大的破坏，减少罐体的使用寿命，而且还会干扰液罐车的正常运行，严重的影响了车辆的行驶稳定性和制动安全性。因此，如何分析和防止液体晃动是液体运输罐车在运输过程中需要解决的十分重要的问题，具有十分重要的理论价值和现实意义[2]。
本文首先分析了液体晃动特性的研究现状和试验台的研究现状，然后对六自由度平台进行动力学分析，最后选型并搭建出等比缩小圆柱形罐车的试验台，从而更好地研究液体晃动对横向运动的影响。
1.2 液体晃动特性研究现状
目前，国内外对液罐车液体晃动的研究主要从两个方面进行。一方面通过数值模拟来分析液体晃动对稳定性的影响；另一方面是通过试验平台来分析液体晃动对稳定性的影响。由于罐式运输车在运输过程中处于非充满的运动状态，施加在罐体上的外界激励导致罐体内部液体发生运动。一般在液体发生运动的过程中其自由表面会出现多种运动形式，例如非平面的液体晃动会导致液面发生飞溅，具有较强的随机性及非线性。对于液体晃动问题的研究，常见的方法是计算机建模，利用MATLAB,ANSYS,ADAMS等流体动力学仿真软件，得出液体晃动对车辆的稳定性影响。在液体晃动对车辆的稳定性影响的研究中，一般是先建立液罐车等效力学模型并分析液体晃动的特性，然后通过仿真软件进行联合分析。
2006年，陈志伟采用数值模拟的思想，选用有限体积法和简化的刚体模型，借助FLUENT软件，对充有粘性不可压介质的立式圆柱形容器和卧式柱形罐车内部介质晃动进行了模拟，获得了液体晃动的固有频率；2010年，郭经经等人[3]建立了液体在横向激励下晃动的等效力学模型，并以椭球底柱形贮箱为例，将计算得到的不同充液条件下液体晃动频率、质量和质心位置与试验得到的数值进行比较，验证该模态分析方法的准确性；2013年，胡晓明等人[4]研究了液体在不同充液比和侧向加速度条件下发生晃动对罐体的作用，建立了液体晃动等效力学模型对问题进行分析研究；2014年，郑雪莲等人[5]构建了椭圆规钟摆模型，用来模拟罐体内的液体冲击运动，获得指定罐体形状和充液比条件下的钟摆模型参数值；2015年，程竹青[6]选取方形罐体、圆形罐体和五种椭圆形罐体作为研究对象，运用流体动力学理论对罐内的液体冲击的流体动力学特性进行了理论分析；利用流体动力学仿真软件 FLUENT 构建了罐内液体冲击的仿真模型；通过模态分析获取了罐体内液体冲击的前八阶模态固有频率和模态振型；
2004年，S．papaspyrou 和 DValougergis 等人在研究充液比为一半的卧式圆柱形容器在轴向激励下的响应时，建立了该激励下容器内介质的晃动模型，推导出了液体在谐振激励下产生的动液压的计算方法；2015年，Akyildiz 通过试验研究了在转动激励下三维矩形容器内液体非线性晃动现象和阻尼的特性，得到了在容器壁上进行测试的点的液压，表明安装阻尼板和增加液体的粘性可以达到降低液体晃动幅度的效果。
1.3 液体晃动试验台研究现状
为了研究液体晃动特性，需要通过试验仿真，试验仿真法主要分为实车试验和罐体试验两种；由于实车试验成本较高，试验中危险性较大，少有采用。罐体试验法是通过真实罐体或缩比罐体模拟罐体内液体晃动试验，对液体晃动特性进行研究，大多数学者使用此方法。
目 录
1 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 液体晃动特性研究现状 1
1.3 液体晃动试验台研究现状 2
1.4 论文研究内容 3
2 总体设计方案 3
2.1 设计原则 3
2.2 系统总体框架 4
2.3 系统组成 5
2.4 系统功能 5
3 六自由度平台动力学分析 6
3.1 六自由度运动平台总体结构 6
3.2 六自由度运动平台运动学模型 6
4 试验台结构设计 9
4.1 试验罐体设计 9
4.2 传感器选取 9
4.3 六自由度平台选取 12
5 机械运动系统设计 16
5.1 Pro/E简介 16
5.2 六自由度平台建模 17
5.3 其它零件的实体建模 22
5.4 六自由度晃动试验台的装配 23
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
1.1 选题背景及意义
液罐车是公路运输的常用车辆，能够运输许多类型的液状货物，比如水、汽油、柴油、化学危险物品、易爆物品等，液罐车的普及不仅与人们的生活必需品密切相关，而且对我国经济的发展起着重大作用。我国在炼油厂和加油站之间以及油库之间不铺设运输燃油的管道，从而使人们对油罐车的需求量逐渐增加， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
而且在我国西部大开发地区，人们通过开发油气资源带动了我国油业的发展，大大增加了人们对罐式运输车的需求量[1]，罐式运输车已成为一种迅速发展的具有特殊用途的车辆。
然而，在运输过程中，液体晃动所造成的后果十分严重。液罐车在爬坡或者加速行驶时罐内液体向罐车后方流动，在减速或着下坡过程中罐内液体往前流动，当罐车转弯时罐内液体向罐体外侧飘动，而且当液罐车采取紧急制动措施时罐内液体会猛烈的前冲，液罐车行驶在凹凸不平的路面上，罐内液体会发生不同程度的猛烈波动。这种不同程度的波动冲击作用到罐体上，不仅会对罐体结构造成极大的破坏，减少罐体的使用寿命，而且还会干扰液罐车的正常运行，严重的影响了车辆的行驶稳定性和制动安全性。因此，如何分析和防止液体晃动是液体运输罐车在运输过程中需要解决的十分重要的问题，具有十分重要的理论价值和现实意义[2]。
本文首先分析了液体晃动特性的研究现状和试验台的研究现状，然后对六自由度平台进行动力学分析，最后选型并搭建出等比缩小圆柱形罐车的试验台，从而更好地研究液体晃动对横向运动的影响。
1.2 液体晃动特性研究现状
目前，国内外对液罐车液体晃动的研究主要从两个方面进行。一方面通过数值模拟来分析液体晃动对稳定性的影响；另一方面是通过试验平台来分析液体晃动对稳定性的影响。由于罐式运输车在运输过程中处于非充满的运动状态，施加在罐体上的外界激励导致罐体内部液体发生运动。一般在液体发生运动的过程中其自由表面会出现多种运动形式，例如非平面的液体晃动会导致液面发生飞溅，具有较强的随机性及非线性。对于液体晃动问题的研究，常见的方法是计算机建模，利用MATLAB,ANSYS,ADAMS等流体动力学仿真软件，得出液体晃动对车辆的稳定性影响。在液体晃动对车辆的稳定性影响的研究中，一般是先建立液罐车等效力学模型并分析液体晃动的特性，然后通过仿真软件进行联合分析。
2006年，陈志伟采用数值模拟的思想，选用有限体积法和简化的刚体模型，借助FLUENT软件，对充有粘性不可压介质的立式圆柱形容器和卧式柱形罐车内部介质晃动进行了模拟，获得了液体晃动的固有频率；2010年，郭经经等人[3]建立了液体在横向激励下晃动的等效力学模型，并以椭球底柱形贮箱为例，将计算得到的不同充液条件下液体晃动频率、质量和质心位置与试验得到的数值进行比较，验证该模态分析方法的准确性；2013年，胡晓明等人[4]研究了液体在不同充液比和侧向加速度条件下发生晃动对罐体的作用，建立了液体晃动等效力学模型对问题进行分析研究；2014年，郑雪莲等人[5]构建了椭圆规钟摆模型，用来模拟罐体内的液体冲击运动，获得指定罐体形状和充液比条件下的钟摆模型参数值；2015年，程竹青[6]选取方形罐体、圆形罐体和五种椭圆形罐体作为研究对象，运用流体动力学理论对罐内的液体冲击的流体动力学特性进行了理论分析；利用流体动力学仿真软件 FLUENT 构建了罐内液体冲击的仿真模型；通过模态分析获取了罐体内液体冲击的前八阶模态固有频率和模态振型；
2004年，S．papaspyrou 和 DValougergis 等人在研究充液比为一半的卧式圆柱形容器在轴向激励下的响应时，建立了该激励下容器内介质的晃动模型，推导出了液体在谐振激励下产生的动液压的计算方法；2015年，Akyildiz 通过试验研究了在转动激励下三维矩形容器内液体非线性晃动现象和阻尼的特性，得到了在容器壁上进行测试的点的液压，表明安装阻尼板和增加液体的粘性可以达到降低液体晃动幅度的效果。
1.3 液体晃动试验台研究现状
为了研究液体晃动特性，需要通过试验仿真，试验仿真法主要分为实车试验和罐体试验两种；由于实车试验成本较高，试验中危险性较大，少有采用。罐体试验法是通过真实罐体或缩比罐体模拟罐体内液体晃动试验，对液体晃动特性进行研究，大多数学者使用此方法。
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