半挂液罐车液固耦合机理与横向稳定性控制研究

The liquid tank semi-trailer is prone to arouse lateral instability accidents with the features of high mass centroid, large and strongly nonlinear liquid sloshing, and liquid-solid coupling. For this reason, the premise and the key of realizing active safety control is the prediction of lateral stability in advance. After studying the liquid-solid coupling inner mechanism of the liquid tank semi-trailer, this project establishes dynamic models of liquid sloshing nonlinearity and liquid-solid coupling for the liquid tank semi-trailer. Then, it analyzes the contributions of lateral instability mechanism and liquid nonlinear dynamic performance to stability under a complex external excitation, and anticipates the liquid tank semi-trailer’s parameters and conditions in real time. Besides, dynamic lateral load transfer ratio, yaw velocity and splice angle are identified as objectives of warning and stability control. Based on the warning algorithm and electronical braking control system, the differential braking control strategy is used to create a set of control logic and algorithm with high robustness under the liquid sloshing and noise. That can be controlled precisely so that it will helps the driver actively control the lateral stability of the liquid tank semi-trailer in an emergency. Finally, a hardware-in-loop experimental platform for the liquid tank semi-trailer is set up to conduct tests on lateral instability warning and active control, verifying the theoretical method and numerical calculation. The research results of this project will provide new theory and technology of active safety control for domestic road liquid tanker.

半挂液罐车具有质心高、液体晃动大且强非线性、液固耦合等特点，易发生横向失稳事故，提前对其横向稳定性进行预测是实现主动安全控制的前提和关键。本项目通过研究半挂液罐车液固耦合内在机理，建立液体晃动非线性动力学模型和半挂液罐车液固耦合动力学模型；分析在复杂外部激励下横向失稳机理、液体非线性动态特性对稳定性影响的贡献，并对半挂液罐车参数和状态进行实时预测；在此基础上，以动态横向载荷转移率、横摆角速度和铰接角为预警和稳定性控制目标，基于预警算法和电子制动控制系统（EBS）技术，采用差动制动控制策略，建立一套在液体晃动和噪声干扰下能精准进行控制的高鲁棒性控制逻辑和算法，辅助驾驶员在紧急情况下主动控制半挂液罐车的横向稳定性；搭建半挂液罐车硬件在环试验平台，开展横向失稳预警和主动控制试验，完成理论方法与数值计算的验证。本项目研究成果将为我国公路液罐车主动安全控制提供新的理论与技术。

交通运输是国民经济的命脉，随着我国经济社会发展，公路交通运输业和物流业得到了快速发展，汽车罐车已成为石油、液化天然气、危险化学品运输的主要交通工具。汽车罐车在方便生产生活、促进道路运输业发展的同时，也带来了重大的交通安全问题。.针对液罐车罐体内液体晃动与液固耦合等问题，系统地建立了非线性液体晃动等效模型，研究了复杂激励条件下液固耦合系统液体晃动动力学特性和内在机理，全面分析了半挂液罐车横向稳定性的影响因素，当充液比为 0.85左右时，晃动质量、等效刚度和阻尼系数均最大，罐体受到横向激励越大，罐内液体晃动越剧烈，且应避免充液比在( 0.8，1) 的工况运输危险品，以防发生危险事故。建立了牵引车纵向、侧向、垂向、横摆和俯仰运动6个自由度，半挂车纵向、侧向、垂向、横摆和俯仰运动6个自由度，以及车轮的侧向力和纵向力12个自由度，引入液体晃动模块，基于路面激励和侧风影响构成半挂液罐车液固耦合动力学模型。.针对半挂液罐车载荷、质心位置、转动惯量等变化范围大，且液体晃动与半挂车运动具有非线性耦合的特点，提出的双无迹卡尔曼滤波联合估计器的建立方法，在此基础上，提出一种判断液罐车是否侧翻的方法，确定双移线典型工况下半挂液罐车侧倾状态时侧倾角、侧倾角加速度和侧向加速度状态参数之间的关系式图，当等式左侧估测值在等式右侧边界阈值所占比重0.9表示半挂液罐车有侧翻风险，为动力学稳定性控制算法提供准确信息。.针对半挂汽车稳定性控制方法移植到半挂液罐车上具有一定的局限性，建立了一套具有预警机制的稳定性控制方法，采用PID与差动制动相结合的ABS控制方法，参照国家标准，在180°角阶跃、双移线、鱼钩这三种危险工况下制动效果良好，在横摆角阈值，侧倾角阈值范围内，与未加入控制之前车辆运行状态有了较大幅度的提升，有效防止侧翻、横摆及折叠等危险工况，提高液罐车的主动安全性。.本项目研究成果将为我国公路液罐车主动安全控制提供新的理论与技术。