动态条件下液体晃动对罐式半挂车侧倾稳定性影响研究

动态条件下液体晃动对罐式半挂车侧倾稳定性影响研究

0罐内液体冲击动力学特性研究与半悬挂式半悬挂车相比，半悬挂式半悬挂车的侧倾斜力由立瓶中的液体摇晃引起，因此车辆的侧倾斜风险更高。此外，罐中的装载通常是危险的燃料，如易速增长剂（汽油、甲醇、丙烯酸等）。由于侧壁事故引起的二次事故（泄漏、燃烧、爆炸等）容易对人们的生命财产安全构成威胁。据美国公路交通安全管理局统计，95%的危险液体货物泄漏事故是由罐车侧翻造成的，且侧翻事故占罐车事故总数的40%，成员死亡率约占交通事故死亡率的33%。为深入研究罐式半挂车的侧翻失稳机理，首先对罐式半挂车罐内液体的冲击动力学特性研究是十分必要的。Wood综上所述，国内外研究学者针对流体晃动问题已经取得诸多成果，但大多都是将罐体与牵引车分开进行罐式半挂车侧倾稳定性研究1液体脉冲动力学建模与动力学分析1.1罐内液体非运动区域的划分由于罐车结构复杂性及其特殊性，通过Flu‐ent软件进行液体动力学建模需要平衡Fluent软件计算时间与计算准确性的矛盾，Fluent软件计算时间主要与迭代次数、网格数目、设置的时间步长、运动复杂程度等影响因素有关。其中，罐内液固耦合运动复杂程度主要由工况决定，时间步长与迭代次数主要由Fluent计算过程中收敛程度和网格质量决定。本文即只考虑罐内液体运动可能流经的表面区域，忽略诸如罐体外壳厚度、防波板等液体非运动区域项，以此在减少网格数量的同时提升网格质量，在兼顾计算资源和仿真结果准确性的基础上进行适当简化。本文以中集THT9401GHY罐车为例，模型样车罐体如图1所示，所建罐体的三维模型如图2所示。1.2罐内液体力学特性分析在罐式半挂车公路机动过程中，影响罐式半挂车侧倾稳定性的主要是由罐内液体晃动产生的作用于罐体侧壁的侧向力和侧倾力矩。因此，罐内液体的力学特性分析是研究罐式半挂车侧倾稳定性的重点。利用Fluent软件进行液体动力学特性分析是将罐体空间区域分解成若干网格体积单元进行液体仿真分析，罐内液体各方向总侧向力和侧倾力矩亦需要利用网格单元求和计算，即通过对液体浸没壁面压力积分求和获得，具体可表示为：式中：P液体绕罐底中心的侧倾力矩M式中：X1.3罐式半挂车液固双向耦合由于Trucksim软件中只能对装载固体货物的半挂车辆进行仿真，无法对装载液体的罐式半挂车进行仿真。本文通过将罐内液体质量与Trucksim中固体货物质量进行近似等效替换，先通过Trucksim仿真得出装载固体货物半挂车辆的车辆运行状态变化规律，并将其数据导入Mat‐lab拟合成函数方程，再通过Fluent软件的UDF功能将其添加入罐体仿真过程中，然后将Fluent软件的迭代求解数据结果（力、力矩）导出，由Matlab拟合成方程后搭建Simulink模型，最后通过Trucksim与Simulink的接口实现罐式半挂车液固双向耦合仿真。其液固双向耦合仿真流程图如图3所示。2对罐内液体流的模拟分析2.1试验车辆及车辆参数本文为研究不同充液比条件下罐内液体的冲击力学特性，利用Trucksim和Fluent建立了液固双向耦合动力学模型，采用双移线工况为试验工况，试验工况总长度为200m，整个试验工况轨迹由方向盘转角表示，车辆方向盘转角随时间变化曲线如图4所示。试验车辆为六轴罐式半挂车，由牵引车和半挂罐车组成，具体车辆参数见表1，罐车所载液体为汽油，密度为0.73kg/L。在时变侧向加速度激励下对罐内液体的晃动规律进行仿真分析。令充液比从0.5～0.8变化，变化步长为0.1，外加充液比为0.95（国标规定罐装液体最大充装量），车速从40～70km/h变化，变化步长为10km/h。2.2不同充液比下罐体所受侧倾力变化图5为不同车速下罐体所受侧向力曲线图。当车速一定时，随着充液比的增大，罐体所受侧向力也随之增大。充液比一定，随着车速的升高，侧向力峰值也逐渐增大。随着车速的增大，不同充液比之间的侧向力峰值也越来越大，随之罐式半挂车发生侧翻危险的概率也越来越高。从图5看出，在充液比为0.5和充液比为0.95时产生侧向力最大，这是由于半载时参与晃动的液体质量大，液体晃动非线性特性强，液体内部及液体与罐壁之间存在复杂液固耦合作用。而在罐体满载时参与晃动液体质量小，液体非线性作用较低，但由于液体整体重量大，液体对罐壁冲击效应最强，因此产生较大的冲击力。以图5(a）为例，当罐式半挂车在3s左右时开始向左变道，初始时刻由于惯性液体会有向相反方向运动的趋势，所以侧向力首先是向相反的方向变大，然后开始向x轴正向晃动，但突然向左变道，液体晃动需要一定时间才能到达最大值，在6s时侧向力达到最大，变道后罐式半挂车依然匀速行驶，但由于第一次变道后罐内液体还未恢复稳定状态，所以当罐式半挂车开始驶回原车道进行二次转向时所产生的侧向冲击力更大，并在11s左右达到最大值，此时罐式半挂车危险系数最高。图5(d）罐体所受的侧向力曲线中无充液比为0.95时的侧向力曲线图，是因为充液比0.95时以70km/h做双移线试验，在试验过程中发生了侧翻事故。图6为不同车速下罐体所受侧倾力矩曲线图。在车速一定时，随着充液比增大，罐体所受的侧倾力矩呈现逐渐减小的趋势，这是由于随着充液比的增大，罐内液体晃动振幅越来越小，即参与晃动的液体质量越来越小，其大部分液体可等效为固体，其对罐体产生的侧倾力矩也呈逐渐下降的趋势。但当充液比一定时，随着车速升高，其侧倾力矩值逐渐增大且液体波动愈加剧烈，并呈现周期性，液体晃动非线性效应增强，液体晃动影响对罐式半挂车侧倾稳定性影响显著。因此，当车辆以较高速度行驶时应避免大幅度转向或急转向，来防止罐式半挂车侧翻危险的发生。3质心位移法的分析3.1质心提取和表征液体质心位置与很多因素有关（液体装载量、罐体横截面等），由于液体在罐内存在晃动现象，因此在车辆正常行驶过程中，液体货物质心一直处在动态变化过程，给液体质心求解带来很大困难。吉林大学李显生等微元法即在罐体中心设立参考系原点O，并将罐体划分成n个网格单元，运用Fluent软件的UDF功能CELL＿CENTROID函数提取每个网格单元的质心，具体表达式如下：式中：m对于连续质量分布，令密度关于位置的函数为ρ(r)，其液体总质量为：质心定义为：更换坐标系会导致质心坐标变化，但质心位置不会改变，由于质心具有唯一性，确定两个参考系A和B，若证明在坐标系A中得到的质心r式中：r由位矢的坐标系变换r上述即证明质心不会由坐标系的改变而导致质心位置改变。在Fluent软件中，确定质心位置首先需要确定流体域，在流体域中首先设置限定条件判定网格中是否含有液体，通过CELL＿CENTROID函数提取每个网格单元质心，将获取的各个网格单元质心坐标数据实时传输给计算机，由计算机对各个网格单元的质心坐标进行积分求和计算，最后通过DEFINE＿EXECUTE＿AT＿EN函数，将质心位置坐标显示在显示屏上，提取质心流程图如图7所示。3.2不同车速工况下罐内液体摆动特征双移线工况下罐内液体质心侧向运动轨迹如图8所示，从图8看出，随着充液比增大，液体质心沿X轴位移逐渐减小；当车速一定时，充液比越小，液体在罐体内晃动幅度越大，液体晃动非线性特性越强，液体质心位移变化愈加明显；在接近满载时，罐内液体晃动空间非常小，液体晃动趋于平稳，进而质心位移变化趋势不明显；而在充液比一定时，随着车速增大，液体质心沿X轴位移峰值呈逐渐增大的趋势，液体晃动愈加剧烈。由于双移线工况的工况特性，在较低车速时，因第一次转向激励引起的液体晃动造成的质心位移会在较短时间恢复至原来状态，而车速的升高不但使质心位移各波段峰值升高，并且在第一次激励引起的质心位移尚未恢复平稳状态时就即将进入由二次激励引起的质心位移变化峰值阶段，这导致在整个双移线过程中，罐式半挂车长时间处于侧向质心位移变化较大的状态，大大降低了罐式半挂车在该工况下的侧倾稳定性。因此，在罐式半挂车以较高车速行驶过程中，应极力避免连续转向，以降低罐式半挂车发生侧翻的危险。4在两条位移线的条件下，侧面滑动阈值的识别4.1不同充液比下车辆侧翻特性分析目前国内外研究学者对于侧翻指标的认定还未完全达成统一，大多数学者采用车身侧偏角、侧倾角、侧向加速度、横向载荷转移率等指标作为侧翻表征参数，而在罐式半挂车的侧翻指标选取中，以横向载荷转移率的相关研究居多，但此参数的选取大多基于将罐内液体等效为单摆模型或者准静态模型，无法体现车辆在实际运行过程中的状态，所得侧翻阈值有一定的指导意义，但与实际阈值仍有一定误差。因此，本文从罐式半挂车的实际运行状态角度出发，选取了能够实时体现车辆运行状态的侧翻指标变量，即车辆侧倾角和车辆侧向加速度。以前文所建罐式半挂车液固双向耦合模型为基础，对双移线工况下不同充液比的侧翻阈值进行辨识。由于篇幅限制，以车速50km/h和70km/h下不同充液比的车辆侧倾角和侧向加速度为例进行分析，仿真结果如图9、图10所示。从图9可以看出，当车速一定时，随着充液比的增大，液体晃动对于侧向加速度的影响愈小，侧向加速度曲线趋于平滑，曲线非线性波动较低，这是由于充液比较大液体晃动幅度小，对侧向加速度产生干扰小；当充液比一定车速增大时，车速升高使得车辆侧向加速度激励增大，而罐内液体此时晃动较低车速时明显，侧向加速度曲线不在趋于平滑，呈现一定程度的波动效应，液体晃动对于侧向加速度影响较为明显；从整体上看，充液比越小，液体晃动对于车辆侧向加速度影响愈加明显。图10(a）表明，在低车速时，由于本身车辆外界激励较小，因此各充液比下液体晃动总体较小，尽管低充液比条件下比高充液比条件下液体晃动剧烈，但高充液比由于液体总质量大，此时比低充液比产生更大的侧倾角，即表明在低车速时，液体总质量对罐式半挂车侧倾稳定性的影响占据主导地位；而在车速提高后，由图10(b）中看出，由于车辆外界激励的增大，此时低充液比的液体晃动较高充液比急剧增大，产生的侧向力和侧倾力矩较低车速时也更大，因此对罐式半挂车侧倾角的增幅也愈加明显，其与高充液比的侧倾角峰值之差也快速减小，即表明高车速条件下，低充液比的液体晃动对罐式半挂车侧倾稳定性的影响占据主导地位。4.2不同充液比下罐式半挂车侧翻稳定性本文以罐式半挂车挂车侧倾角和侧向加速度为侧翻阈值指标。利用Matlab数据拟合功能对仿真数据进行拟合，得出了不同充液比条件下罐式半挂车侧翻阈值辨识曲线图，如图11所示。从图11可以看出，车速一定时，在整个充液比范围内，充液比从0～0.5逐渐升高过程中，车辆侧翻阈值呈逐渐下降的趋势，充液比继续升高，在0.6左右侧翻阈值最低，说明在充液比0.6左右时，液体晃动对于罐式半挂车侧倾稳定性影响最为明显，随着充液比继续升高，侧翻阈值反而缓慢有所上升，说明尽管随着车辆装载液体质量的提高，液体晃动对于罐式半挂车的侧倾稳定性影响逐渐下降。因此，建议罐式半挂车装载时应避开充液比0.6左右