液罐车辆车—液耦合动力学特性与防侧翻控制方法研究

发布时间：2020-07-10 15:59

【摘要】：公路液罐车是最广泛的液体危险品运输工具,但由于重心高、液体晃动大且强非线性、液体晃动与车辆运动耦合等特点,易导致侧翻等失稳事故,并极易伴随油品爆炸和泄漏等次生事故,产生更大的危害和损失。目前的研究大多数采用结构优化的方式改进液罐车的稳定性,并集中于讨论结构、充液比等变量对液体晃动和液罐车动力学特性的影响,但对车-液耦合动力机制、液体晃动对车辆失稳的贡献度等问题的研究还不够深入,而这些都是建立合理的液罐车辆简化模型、针对液罐车辆进行准确有效的主动安全控制的前提。同时,针对液罐车辆特点的主动防侧翻控制的研究还很少,因此,液罐车辆应该考虑哪些特性、采用何种方法进行防侧翻控制,如何降低误警率、提高防侧翻控制效果,也是急需探索的。本文依托于国家自然科学基金“公路液罐车液固耦合机理与防侧翻控制研究”(编号:51575224)、吉林省科技发展计划项目“基于电控制动系统的重型商用车稳定性控制”(编号:20170414045GH)和“重型车辆电控气压制动系统开发与匹配”(编号:20150204066GX),在调研国内外液罐车辆动力学特性和主动安全控制方法的研究成果的基础上,针对液罐车辆车-液耦合动力学机理不清和整车侧倾稳定性控制不完善的问题,考虑非满载液罐车液体具有瞬态晃动的特点,重点研究车-液耦合动力机制,提出合理的液罐车内液体晃动动力学模型的简化依据,据此建立能够合理表征实际工况下液罐车内液体特性及对车辆影响的液体非线性晃动等效力学模型,并开发了考虑液体晃动特点的液罐车主动防侧翻控制算法。主要包括以下几方面的工作:(1)液罐车双向耦合精细模型的建立及车-液耦合动力学特性的分析针对液罐车车-液耦合动力学特性不明,导致液罐车动力学建模缺乏理论指导的问题,在液体晃动特性及其对车辆响应的影响程度不完全确定的情况下,为了尽量精确地模拟液体和车辆的动力学特性,基于FLUENT软件建立液体晃动数值模型,基于TruckSim软件建立车辆动力学模型,通过创建FLUENT与Truck Sim时序信息双向传递平台建立了液罐车双向耦合精细模型。在此基础上,通过对比刚体货物车辆模型、基于准静态液体的液罐车模型、基于液体晃动等效单摆模型的液罐车模型,与本文液罐车双向耦合精细模型仿真结果的差异,讨论实际道路工况下,各种液体晃动响应成分被激发的程度及其对车辆响应的贡献,即车-液动力学耦合程度,为建立液罐车内液体等效力学模型提供指导意见。(2)液罐车内液体非线性等效力学模型的建立根据基于液罐车双向耦合精细模型的车-液耦合动力学特性分析的结论,对操稳工况下液体的侧向晃动,应考虑随着工况剧烈程度增大,液体晃动频率增大、冲击力放大系数降低,为此建立了液体侧向非线性晃动椭圆摆等效模型;对制动工况下液体的纵向晃动,由于液罐车罐体内普遍装有开孔横隔板,应考虑主频晃动,且基频频率随工况剧烈程度而改变,以及开孔横隔板导致的腔室间液体流动及其阻尼效应,为此建立了液体纵向非线性晃动椭圆摆等效模型,并类比管道流动,分析了腔室间质量流量与孔/板面积比、孔的位置函数、外部加速度激励的关系,进而建立了开孔隔板多腔罐体的液体纵向非线性晃动等效力学模型,并采用遗传算法辨识了纵向椭圆摆等效模型参数、腔室间质量转移模型参数以及总的阻尼系数。为液罐车系统稳定性分析、控制策略开发提供快速计算和合理的液体晃动模型基础。(3)液罐车侧倾动态稳定性分析结合罐内液体侧向非线性晃动椭圆摆等效模型,和考虑车轮抬起的车辆侧倾动力学,建立液罐车侧倾动力学模型,采用相空间分析的方法,对状态变量初值、系统输入——侧向加速度等对液罐车侧倾动力学特性的影响进行分析,深入理解车体侧倾-液体晃动耦合的内在机理,明确液罐车侧倾运动轨迹主要特性和原因,为液罐车防侧翻控制提供理论指导。(4)液罐车横摆-抑晃-防侧翻集成控制策略的开发针对液体晃动导致液罐车响应波动且易侧翻的特点,综合考虑液罐车的液体晃动抑制、横摆稳定性和侧倾稳定性控制,基于ESC系统开发了液罐车横摆-抑晃-防侧翻集成控制策略。对于车辆操纵不太稳定,但尚未进入侧倾不稳定状态的过渡区域,开发了以液罐车辆的横摆、侧偏和液体的等效摆角跟随期望值为控制目标的LQR横摆抑晃控制方法,推迟进入防侧翻控制的时机;针对临近侧翻的危险工况,开发了以尽量减少液罐车横向载荷转移率LTR为控制目标的LQR输出最优防侧翻控制方法;为了动态区分侧翻失稳紧急程度,防止误触发或过晚触发控制系统,开发了考虑液体晃动的侧翻预警时间TTR预警算法,并以TTR为切换指标,进行横摆抑晃控制模式和防侧翻控制模式的切换。(5)缩比液罐实车实验系统的建立和实车场地实验根据相似性原理对原型液罐进行合理缩比,以使缩比液罐基本能够反映原型液体特性;然后搭建了能够实现可视化观察和总体晃动力测量的缩比液罐测试台架,通过改装得到缩比实验液罐车;最后,通过实车实验,对本文液体数值模型和液罐车双向耦合模型进行了验证,并对液罐车的车-液耦合动力学特性进行了实验研究。本文的研究创新点主要体现在以下三个方面:(1)探明了车-液耦合动力学的主要特征。针对液罐车车-液耦合动力学特性不明的问题,首次基于液罐车双向耦合精细模型分析了各种液体晃动成分被激发的程度及其对车辆响应的影响,明确了液罐车建模中必须考虑液体晃动频率和冲击放大效应随工况变化的特性,及纵向晃动时腔室间液体流动和阻尼特性。(2)建立了能够描述车-液耦合主要特征的液体纵向和侧向非线性晃动等效力学模型。针对现有罐车内液体等效模型不能合理反映液罐车动力学特性的问题,通过纵向/侧向椭圆摆等效模型描述液体晃动频率和冲击放大效应随工况变化的特性,通过腔室间质量流量模型描述有孔隔板导致的腔室间质量转移和阻尼效应。(3)开发了液罐车横摆-抑晃-防侧翻集成控制策略。针对液体晃动导致液罐车响应波动且易侧翻的特性,综合考虑液罐车的液体晃动抑制、横摆稳定性和侧倾稳定性控制,并采用考虑液体晃动的TTR侧翻预警时间作为防侧翻控制模式的触发指标,区分工况紧急程度,降低误警率,提高控制效果。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.61
【图文】：

波形,液体,现象,运动频率

液罐车动力学具有与一般充液系统动力学类似的特性和研究方法，因此本文液系统内液体的一般建模方法及晃动特性进行介绍。1 充液系统液体晃动动力学特性部分充液系统具有无限多个自由度，在外部扰动的作用下，会引发液体的晃由液面的运动。对于非满载罐体，罐体的水平晃动会导致液体表面波。液体表面波的基频晃动是反对称波，具有一个波峰和一个波谷，是完整驻波对于更高频的固有频率，会产生多个波峰波谷[4]。罐内液体晃荡通常有四种，行波，水跃以及三者的结合。充液比较低、且运动频率远离固有频率时，会形成驻波，随着容器运动频率接近液体固有频率，会形成波长较短的行波运动频率在水跃形成频率范围内，就会产生水跃现象，且水跃发生的时间与频率有关。而伴随着不同的液体晃荡波形，会产生更多复杂的物理现象，如与破碎，抨击，气液两相流，气穴效应等，如图 1.1 所示[5]。

液罐,平面振动,缩比,台架

动力学、民用工程等领域也具有很大的借鉴作用。公路用液罐车的置的柱状或类似柱状液罐，其横截面通常为椭圆形、圆柱形或鲁洛规定会沿轴线方向布置若干横隔板，横隔板是完全封闭的或是具有形式。本文只对公路用的形式或与其类似的液罐内液体晃动特性研体冲击特性研究最为深入、成果最多的当属 NASA。1966 年，NAS体内的大幅度非线性液体侧向冲击进行了实验分析，实验过程中着同外界激励下的自旋问题。大 Concordia 大学的 CONCAVE 中心对水平柱形液罐内的液体晃动的研究。建立了如图 1.2 所示的缩比液罐实验台，采用数值模拟和缩方式，对纵向、侧向，以及纵-侧向联合激励下，液体晃动的频率特都做了研究，并分析了充液比、横隔板形式和数量、激励大小、联动的影响[7][8][9][10][11]。

墨西哥,实验台,研究所,液罐

吉林大学博士学位论文墨西哥运输研究所的 Manuel J.Fabela-Gallegos 等人[12,13]对搭建了如图 1.3 1:10 的缩比液罐，对椭圆柱形液罐受纵向制动冲击时的纵向液体晃动进行了实罐运动到边界位置时利用挡板挡住液罐模拟瞬时冲击，分析了横隔板个数和形液比对液体纵向晃动的影响。

【参考文献】