動態(tài)條件下液體晃動對罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性影響研究

動態(tài)條件下液體晃動對罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性影響研究

0罐內(nèi)液體沖擊動力學(xué)特性研究與半懸掛式半懸掛車相比，半懸掛式半懸掛車的側(cè)傾斜力由立瓶中的液體搖晃引起，因此車輛的側(cè)傾斜風(fēng)險更高。此外，罐中的裝載通常是危險的燃料，如易速增長劑（汽油、甲醇、丙烯酸等）。由于側(cè)壁事故引起的二次事故（泄漏、燃燒、爆炸等）容易對人們的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。據(jù)美國公路交通安全管理局統(tǒng)計，95%的危險液體貨物泄漏事故是由罐車側(cè)翻造成的，且側(cè)翻事故占罐車事故總數(shù)的40%，成員死亡率約占交通事故死亡率的33%。為深入研究罐式半掛車的側(cè)翻失穩(wěn)機理，首先對罐式半掛車罐內(nèi)液體的沖擊動力學(xué)特性研究是十分必要的。Wood綜上所述，國內(nèi)外研究學(xué)者針對流體晃動問題已經(jīng)取得諸多成果，但大多都是將罐體與牽引車分開進行罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性研究1液體脈沖動力學(xué)建模與動力學(xué)分析1.1罐內(nèi)液體非運動區(qū)域的劃分由于罐車結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及其特殊性，通過Flu‐ent軟件進行液體動力學(xué)建模需要平衡Fluent軟件計算時間與計算準(zhǔn)確性的矛盾，F(xiàn)luent軟件計算時間主要與迭代次數(shù)、網(wǎng)格數(shù)目、設(shè)置的時間步長、運動復(fù)雜程度等影響因素有關(guān)。其中，罐內(nèi)液固耦合運動復(fù)雜程度主要由工況決定，時間步長與迭代次數(shù)主要由Fluent計算過程中收斂程度和網(wǎng)格質(zhì)量決定。本文即只考慮罐內(nèi)液體運動可能流經(jīng)的表面區(qū)域，忽略諸如罐體外殼厚度、防波板等液體非運動區(qū)域項，以此在減少網(wǎng)格數(shù)量的同時提升網(wǎng)格質(zhì)量，在兼顧計算資源和仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上進行適當(dāng)簡化。本文以中集THT9401GHY罐車為例，模型樣車罐體如圖1所示，所建罐體的三維模型如圖2所示。1.2罐內(nèi)液體力學(xué)特性分析在罐式半掛車公路機動過程中，影響罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性的主要是由罐內(nèi)液體晃動產(chǎn)生的作用于罐體側(cè)壁的側(cè)向力和側(cè)傾力矩。因此，罐內(nèi)液體的力學(xué)特性分析是研究罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性的重點。利用Fluent軟件進行液體動力學(xué)特性分析是將罐體空間區(qū)域分解成若干網(wǎng)格體積單元進行液體仿真分析，罐內(nèi)液體各方向總側(cè)向力和側(cè)傾力矩亦需要利用網(wǎng)格單元求和計算，即通過對液體浸沒壁面壓力積分求和獲得，具體可表示為：式中：P液體繞罐底中心的側(cè)傾力矩M式中：X1.3罐式半掛車液固雙向耦合由于Trucksim軟件中只能對裝載固體貨物的半掛車輛進行仿真，無法對裝載液體的罐式半掛車進行仿真。本文通過將罐內(nèi)液體質(zhì)量與Trucksim中固體貨物質(zhì)量進行近似等效替換，先通過Trucksim仿真得出裝載固體貨物半掛車輛的車輛運行狀態(tài)變化規(guī)律，并將其數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mat‐lab擬合成函數(shù)方程，再通過Fluent軟件的UDF功能將其添加入罐體仿真過程中，然后將Fluent軟件的迭代求解數(shù)據(jù)結(jié)果（力、力矩）導(dǎo)出，由Matlab擬合成方程后搭建Simulink模型，最后通過Trucksim與Simulink的接口實現(xiàn)罐式半掛車液固雙向耦合仿真。其液固雙向耦合仿真流程圖如圖3所示。2對罐內(nèi)液體流的模擬分析2.1試驗車輛及車輛參數(shù)本文為研究不同充液比條件下罐內(nèi)液體的沖擊力學(xué)特性，利用Trucksim和Fluent建立了液固雙向耦合動力學(xué)模型，采用雙移線工況為試驗工況，試驗工況總長度為200m，整個試驗工況軌跡由方向盤轉(zhuǎn)角表示，車輛方向盤轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線如圖4所示。試驗車輛為六軸罐式半掛車，由牽引車和半掛罐車組成，具體車輛參數(shù)見表1，罐車所載液體為汽油，密度為0.73kg/L。在時變側(cè)向加速度激勵下對罐內(nèi)液體的晃動規(guī)律進行仿真分析。令充液比從0.5～0.8變化，變化步長為0.1，外加充液比為0.95（國標(biāo)規(guī)定罐裝液體最大充裝量），車速從40～70km/h變化，變化步長為10km/h。2.2不同充液比下罐體所受側(cè)傾力變化圖5為不同車速下罐體所受側(cè)向力曲線圖。當(dāng)車速一定時，隨著充液比的增大，罐體所受側(cè)向力也隨之增大。充液比一定，隨著車速的升高，側(cè)向力峰值也逐漸增大。隨著車速的增大，不同充液比之間的側(cè)向力峰值也越來越大，隨之罐式半掛車發(fā)生側(cè)翻危險的概率也越來越高。從圖5看出，在充液比為0.5和充液比為0.95時產(chǎn)生側(cè)向力最大，這是由于半載時參與晃動的液體質(zhì)量大，液體晃動非線性特性強，液體內(nèi)部及液體與罐壁之間存在復(fù)雜液固耦合作用。而在罐體滿載時參與晃動液體質(zhì)量小，液體非線性作用較低，但由于液體整體重量大，液體對罐壁沖擊效應(yīng)最強，因此產(chǎn)生較大的沖擊力。以圖5(a）為例，當(dāng)罐式半掛車在3s左右時開始向左變道，初始時刻由于慣性液體會有向相反方向運動的趨勢，所以側(cè)向力首先是向相反的方向變大，然后開始向x軸正向晃動，但突然向左變道，液體晃動需要一定時間才能到達最大值，在6s時側(cè)向力達到最大，變道后罐式半掛車依然勻速行駛，但由于第一次變道后罐內(nèi)液體還未恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，所以當(dāng)罐式半掛車開始駛回原車道進行二次轉(zhuǎn)向時所產(chǎn)生的側(cè)向沖擊力更大，并在11s左右達到最大值，此時罐式半掛車危險系數(shù)最高。圖5(d）罐體所受的側(cè)向力曲線中無充液比為0.95時的側(cè)向力曲線圖，是因為充液比0.95時以70km/h做雙移線試驗，在試驗過程中發(fā)生了側(cè)翻事故。圖6為不同車速下罐體所受側(cè)傾力矩曲線圖。在車速一定時，隨著充液比增大，罐體所受的側(cè)傾力矩呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這是由于隨著充液比的增大，罐內(nèi)液體晃動振幅越來越小，即參與晃動的液體質(zhì)量越來越小，其大部分液體可等效為固體，其對罐體產(chǎn)生的側(cè)傾力矩也呈逐漸下降的趨勢。但當(dāng)充液比一定時，隨著車速升高，其側(cè)傾力矩值逐漸增大且液體波動愈加劇烈，并呈現(xiàn)周期性，液體晃動非線性效應(yīng)增強，液體晃動影響對罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性影響顯著。因此，當(dāng)車輛以較高速度行駛時應(yīng)避免大幅度轉(zhuǎn)向或急轉(zhuǎn)向，來防止罐式半掛車側(cè)翻危險的發(fā)生。3質(zhì)心位移法的分析3.1質(zhì)心提取和表征液體質(zhì)心位置與很多因素有關(guān)（液體裝載量、罐體橫截面等），由于液體在罐內(nèi)存在晃動現(xiàn)象，因此在車輛正常行駛過程中，液體貨物質(zhì)心一直處在動態(tài)變化過程，給液體質(zhì)心求解帶來很大困難。吉林大學(xué)李顯生等微元法即在罐體中心設(shè)立參考系原點O，并將罐體劃分成n個網(wǎng)格單元，運用Fluent軟件的UDF功能CELL＿CENTROID函數(shù)提取每個網(wǎng)格單元的質(zhì)心，具體表達式如下：式中：m對于連續(xù)質(zhì)量分布，令密度關(guān)于位置的函數(shù)為ρ(r)，其液體總質(zhì)量為：質(zhì)心定義為：更換坐標(biāo)系會導(dǎo)致質(zhì)心坐標(biāo)變化，但質(zhì)心位置不會改變，由于質(zhì)心具有唯一性，確定兩個參考系A(chǔ)和B，若證明在坐標(biāo)系A(chǔ)中得到的質(zhì)心r式中：r由位矢的坐標(biāo)系變換r上述即證明質(zhì)心不會由坐標(biāo)系的改變而導(dǎo)致質(zhì)心位置改變。在Fluent軟件中，確定質(zhì)心位置首先需要確定流體域，在流體域中首先設(shè)置限定條件判定網(wǎng)格中是否含有液體，通過CELL＿CENTROID函數(shù)提取每個網(wǎng)格單元質(zhì)心，將獲取的各個網(wǎng)格單元質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù)實時傳輸給計算機，由計算機對各個網(wǎng)格單元的質(zhì)心坐標(biāo)進行積分求和計算，最后通過DEFINE＿EXECUTE＿AT＿EN函數(shù)，將質(zhì)心位置坐標(biāo)顯示在顯示屏上，提取質(zhì)心流程圖如圖7所示。3.2不同車速工況下罐內(nèi)液體擺動特征雙移線工況下罐內(nèi)液體質(zhì)心側(cè)向運動軌跡如圖8所示，從圖8看出，隨著充液比增大，液體質(zhì)心沿X軸位移逐漸減??；當(dāng)車速一定時，充液比越小，液體在罐體內(nèi)晃動幅度越大，液體晃動非線性特性越強，液體質(zhì)心位移變化愈加明顯；在接近滿載時，罐內(nèi)液體晃動空間非常小，液體晃動趨于平穩(wěn)，進而質(zhì)心位移變化趨勢不明顯；而在充液比一定時，隨著車速增大，液體質(zhì)心沿X軸位移峰值呈逐漸增大的趨勢，液體晃動愈加劇烈。由于雙移線工況的工況特性，在較低車速時，因第一次轉(zhuǎn)向激勵引起的液體晃動造成的質(zhì)心位移會在較短時間恢復(fù)至原來狀態(tài)，而車速的升高不但使質(zhì)心位移各波段峰值升高，并且在第一次激勵引起的質(zhì)心位移尚未恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)時就即將進入由二次激勵引起的質(zhì)心位移變化峰值階段，這導(dǎo)致在整個雙移線過程中，罐式半掛車長時間處于側(cè)向質(zhì)心位移變化較大的狀態(tài)，大大降低了罐式半掛車在該工況下的側(cè)傾穩(wěn)定性。因此，在罐式半掛車以較高車速行駛過程中，應(yīng)極力避免連續(xù)轉(zhuǎn)向，以降低罐式半掛車發(fā)生側(cè)翻的危險。4在兩條位移線的條件下，側(cè)面滑動閾值的識別4.1不同充液比下車輛側(cè)翻特性分析目前國內(nèi)外研究學(xué)者對于側(cè)翻指標(biāo)的認定還未完全達成統(tǒng)一，大多數(shù)學(xué)者采用車身側(cè)偏角、側(cè)傾角、側(cè)向加速度、橫向載荷轉(zhuǎn)移率等指標(biāo)作為側(cè)翻表征參數(shù)，而在罐式半掛車的側(cè)翻指標(biāo)選取中，以橫向載荷轉(zhuǎn)移率的相關(guān)研究居多，但此參數(shù)的選取大多基于將罐內(nèi)液體等效為單擺模型或者準(zhǔn)靜態(tài)模型，無法體現(xiàn)車輛在實際運行過程中的狀態(tài)，所得側(cè)翻閾值有一定的指導(dǎo)意義，但與實際閾值仍有一定誤差。因此，本文從罐式半掛車的實際運行狀態(tài)角度出發(fā)，選取了能夠?qū)崟r體現(xiàn)車輛運行狀態(tài)的側(cè)翻指標(biāo)變量，即車輛側(cè)傾角和車輛側(cè)向加速度。以前文所建罐式半掛車液固雙向耦合模型為基礎(chǔ)，對雙移線工況下不同充液比的側(cè)翻閾值進行辨識。由于篇幅限制，以車速50km/h和70km/h下不同充液比的車輛側(cè)傾角和側(cè)向加速度為例進行分析，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。從圖9可以看出，當(dāng)車速一定時，隨著充液比的增大，液體晃動對于側(cè)向加速度的影響愈小，側(cè)向加速度曲線趨于平滑，曲線非線性波動較低，這是由于充液比較大液體晃動幅度小，對側(cè)向加速度產(chǎn)生干擾?。划?dāng)充液比一定車速增大時，車速升高使得車輛側(cè)向加速度激勵增大，而罐內(nèi)液體此時晃動較低車速時明顯，側(cè)向加速度曲線不在趨于平滑，呈現(xiàn)一定程度的波動效應(yīng)，液體晃動對于側(cè)向加速度影響較為明顯；從整體上看，充液比越小，液體晃動對于車輛側(cè)向加速度影響愈加明顯。圖10(a）表明，在低車速時，由于本身車輛外界激勵較小，因此各充液比下液體晃動總體較小，盡管低充液比條件下比高充液比條件下液體晃動劇烈，但高充液比由于液體總質(zhì)量大，此時比低充液比產(chǎn)生更大的側(cè)傾角，即表明在低車速時，液體總質(zhì)量對罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響占據(jù)主導(dǎo)地位；而在車速提高后，由圖10(b）中看出，由于車輛外界激勵的增大，此時低充液比的液體晃動較高充液比急劇增大，產(chǎn)生的側(cè)向力和側(cè)傾力矩較低車速時也更大，因此對罐式半掛車側(cè)傾角的增幅也愈加明顯，其與高充液比的側(cè)傾角峰值之差也快速減小，即表明高車速條件下，低充液比的液體晃動對罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。4.2不同充液比下罐式半掛車側(cè)翻穩(wěn)定性本文以罐式半掛車掛車側(cè)傾角和側(cè)向加速度為側(cè)翻閾值指標(biāo)。利用Matlab數(shù)據(jù)擬合功能對仿真數(shù)據(jù)進行擬合，得出了不同充液比條件下罐式半掛車側(cè)翻閾值辨識曲線圖，如圖11所示。從圖11可以看出，車速一定時，在整個充液比范圍內(nèi)，充液比從0～0.5逐漸升高過程中，車輛側(cè)翻閾值呈逐漸下降的趨勢，充液比繼續(xù)升高，在0.6左右側(cè)翻閾值最低，說明在充液比0.6左右時，液體晃動對于罐式半掛車側(cè)傾穩(wěn)定性影響最為明顯，隨著充液比繼續(xù)升高，側(cè)翻閾值反而緩慢有所上升，說明盡管隨著車輛裝載液體質(zhì)量的提高，液體晃動對于罐式半掛車的側(cè)傾穩(wěn)定性影響逐漸下降。因此，建議罐式半掛車裝載時應(yīng)避開充液比0.6左右