汽车罐车流-固耦合多体系统行驶稳定性问题研究

Influenced by liquid sloshing in partially-filled tanks, tank vehicles are apt to subjected to rollover accidents when driving at curved section with high speed, which cause people injury and liquid leak. Due to the particularity of cargoes, nearly two-thirds of the tanker accidents contaminate the environment directly. Therefore, it is of quite importance to research the driving stability of tankers. As a complicated fluid-solid coupling multi-body system, there is an interaction between liquid sloshing and vehicle motion, which brings great difficulty in the analysis of vehicle dynamics. This project starts with the liquid sloshing characteristics in partially-filled tanks, especially studied the mechanism of liquid sloshing and analyzed the influence of sloshing conditions on the sloshing dynamic characteristics; And then, the transformation mechanism of fluid dynamics problem is transformed into machine motion problem is analyzed and equivalent mechanical model that can describe liquid sloshing in partially-filled tanks are established; Combined with the study of coupling mechanism of liquid sloshing and vehicle motion, vehicle dynamic model is established, then vehicle driving stability regions are studied and dangerous driving state is judged. The results will provide key theoretical basis and technology support for analysis the influence of liquid sloshing on tanker driving stability and development active control system for tankers.

受非满载罐体内液体冲击的影响，汽车罐车高速行驶于弯道路段时易发生侧翻事故，造成人员伤亡，引发液体泄漏。由于运输货物的特殊性，约三分之二的事故直接对环境造成了污染。因此，有必要开展汽车罐车行驶稳定性的研究。汽车罐车作为一个复杂的流-固耦合多体系统，存在充液罐体内液体冲击和车辆运动交互影响的现象，给整车动力学分析带来了困难。基于此，本项目从罐体内液体冲击动力学特性的研究入手，探究液体冲击的作用机理，分析冲击条件对液体冲击动力学特性的影响规律；剖析将流体动力学问题转化成机械运动问题的转换机理，建立能够描述液体冲击的等效机械模型；结合汽车罐车流-固耦合系统的耦合机理研究，建立汽车罐车整车动力学模型，探究车辆行驶稳定域，实现车辆危险运行状态的辨识。项目研究结果将为全面系统的掌握液体冲击对汽车罐车行驶稳定性的影响提供理论依据和技术支持，同时也为汽车罐车主动控制系统的研发奠定基础。

受非满载罐体内液体晃动的影响，汽车罐车高速弯道行驶时易发生侧翻事故。因此，本项目对罐车行驶稳定性问题进行研究，并探究有效的侧翻控制策略。汽车罐车作为复杂的流-固耦合多体系统，基于传统研究思路所构建的整车动力学模型为无限多自由度的偏微分方程组，模型求解困难，在此模型基础上研究车辆行驶稳定性控制策略更是基本不可能的。针对这一根本问题，项目组通过分析罐内液体晃动的频率、阻尼、质心运动轨迹、主导模态等动力学特征以及主要特征随冲击条件的变化规律，明确了液体晃动向机械运动等效转换的动力学条件，提出了使用椭圆规钟摆模型描述罐内液体晃动。利用拉格朗日方程推导了钟摆模型的运动方程，并对钟摆模型与液体晃动的动力学特性进行了对比分析，再次确认了钟摆模型描述液体晃动的适用性。基于此，利用动力学等价原理推导了钟摆模型参数与液体晃动动力学特征参数之间的函数关系，并进一步获得了模型的长度和质量参数关于充液比、罐体形状、侧向激励以及液体物理属性的多项式函数。分析了汽车罐车动力学模型构建中存在的问题，提出了整车动力学模型构建的前提和假设条件，以罐体作为联系车辆运动和钟摆模型运动的中间环节，推导了罐体平动和转动条件下钟摆模型的运动方程，分析了钟摆运动过程中关于车辆坐标系的惯性张量，构建了汽车罐车整车动力学模型。利用汽车罐车动力学模型，分析了罐车稳态和非稳态转向输入下的动力学特性，研究了影响罐车行驶稳定性的主要因素，获得了罐车相对于普通载货汽车的侧倾稳定性下降程度。针对罐车动力学响应的振荡问题，使用基于参考模型的模糊控制方法提高了罐车侧倾稳定性。项目研究结果为全面系统的掌握液体冲击对汽车罐车行驶稳定性的影响提供了理论依据和技术支持，同时也为汽车罐车主动控制系统的研发奠定了基础。