非满载液罐汽车液体冲击非线性建模及行驶稳定性研究

发布时间：2017-08-26 14:30

  本文关键词：非满载液罐汽车液体冲击非线性建模及行驶稳定性研究

  更多相关文章： 液罐汽车 罐内液体冲击 等效机械模型 非线性模型 改进型遗传算法 液罐汽车行驶稳定性

【摘要】：液罐汽车在液体危险品运输中被广泛使用,与此同时,液罐汽车在运输中发生交通安全问题不断增多。特别是在紧急制动、高速弯道行驶或紧急避让过程中,非满载液罐汽车罐内液体发生较大晃动,可能造成液罐汽车交通事故,甚至发生单车侧翻,引起火灾、爆炸、环境污染和人员大规模中毒等严重后果。由于液罐汽车实车试验存在较高危险性,导致极限工况下的试验数据难以采集,使得液罐汽车罐内液体冲击的研究,多利用数值模型仿真方法,若能将试验法与数值模型仿真相结合,可以更全面分析罐内液体冲击对液罐汽车行驶稳定性的影响。本文搭建了罐内液体冲击模拟试验台,更直观和安全的观测液体冲击现象,总结其运动规律;运用力学等价原理和相似理论,建立了等效机械模型,对流体运动进行力学等效替代,描述了罐内液体冲击线性运动;建立了非线性激励下的钟摆模型,描述了罐内液体冲击非线性运动;通过优化算法对罐内液体冲击影响因素进行优化,获得侧倾稳定性较好的液罐汽车罐体尺寸;研究罐内液体冲击对液罐汽车行驶稳定性的影响,分别从液体冲击运动相关参数和液罐汽车侧向加速度极限值两方面进行分析。因此,本文运用试验法、等效机械模型方法、非线性动力学理论、优化算法和汽车系统动力学理论,对非满载液罐汽车罐内液体冲击进行描述,最终实现以试验法和数值仿真模型相结合的方法对液罐汽车行驶稳定性进行研究分析。论文主要研究工作和成果如下:1.罐内液体冲击的影响因素和运动特性分析。通过罐内液体冲击现象的分析,搭建罐内液体冲击模拟试验台,进行了制动和转向两种过程模拟试验,提取了液体冲击影响因素。试验结果揭示了,液体冲击力大小与罐体形状及尺寸、液体充液比和外部激励频率等因素有关;确定了液体冲击力较小的罐体截面形状。2.罐内液体冲击线性模型的构建。利用准静态模型,对罐内液体冲击运动过程中液体质心运动轨迹进行了求解。利用力学等价原理和相似原理,建立了罐内液体冲击等效机械模型(弹簧-质量模型和钟摆模型)。利用弹簧-质量模型,对五种不同尺寸比例的椭圆形截面罐体进行数值仿真试验,得出了具有较好侧向稳定性的液罐汽车椭圆形罐体尺寸。小幅振动下的罐内液体冲击线性运动,划分了液体振动频率范围,进行数值仿真试验,对比瞬时最大冲击力数据,得出了两种等效机械模型相适应的液体振动频率范围。3.罐内液体冲击非线性模型的构建。运用拉格朗日方程,建立非线性激励下的钟摆模型,明确了模型振动频率和相关参数的计算方法。非线性模型数值仿真分析,明确了罐内液体非线性运动产生的冲击力变化规律。通过模拟试验台采集数据与非线性模型进行对比,获得了罐内液体非线性模型的偏差情况,验证了非线性模型描述罐内液体非线性运动现象的准确性。4.罐内液体冲击影响因素的优化。建立了液罐汽车侧向响应动力学模型,与液体冲击等效机械模型进行流固动力学耦合,获得了液罐汽车流固动力学耦合模型。运用优化算法对液罐汽车流固动力学耦合模型进行了优化,以液体质心高度和整车侧倾力矩作为优化目的,获得了椭圆形液罐体最优截面尺寸。建立了液罐汽车侧倾极限状态模型,确定了侧向加速度ay极限数值模型。
【关键词】：液罐汽车 罐内液体冲击 等效机械模型 非线性模型 改进型遗传算法 液罐汽车行驶稳定性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.61
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-21
• 第1章 绪论21-43
• 1.1 研究背景21-24
• 1.2 研究意义24-25
• 1.3 国内外研究现状25-38
• 1.3.1 罐内液体冲击现象研究26-33
• 1.3.2 液罐汽车行驶稳定性研究33-37
• 1.3.3 罐内液体冲击非线性特性研究37-38
• 1.4 研究启示38-39
• 1.5 本文研究内容及技术路线39-43
• 1.5.1 研究内容39-40
• 1.5.2 技术路线40-43
• 第2章 罐内液体冲击模拟试验台的建立43-67
• 2.1 罐内液体冲击模拟试验台设计43-51
• 2.1.1 液体冲击影响因素提取44-46
• 2.1.2 液罐体尺寸设定46-47
• 2.1.3 罐内液体振动频率47-49
• 2.1.4 液体冲击模拟试验台的搭建49-51
• 2.2 模拟试验台试验方案51-54
• 2.2.1 罐内液体充液比的设定51-52
• 2.2.2 制动过程模拟试验方案52-53
• 2.2.3 转向过程模拟试验方案53-54
• 2.3 模拟试验台罐内液体冲击力数据分析54-65
• 2.3.1 罐内液体与固体的冲击力对比分析54-55
• 2.3.2 模拟试验台典型试验组冲击力数据分析55-61
• 2.3.3 模拟试验台瞬时最大冲击力数据统计分析61-65
• 2.4 本章小结65-67
• 第3章 罐内液体冲击线性运动研究67-93
• 3.1 液体冲击线性动力学模型的建立67-83
• 3.1.1 准静态法对罐内液体质心运动的求解67-73
• 3.1.2 等效机械模型对罐内液体冲击研究73-83
• 3.2 液体冲击等效机械模型数值仿真及分析83-90
• 3.2.1 弹簧-质量模型仿真试验83-84
• 3.2.2 钟摆模型仿真试验84-85
• 3.2.3 两种等效机械模型对比分析85-90
• 3.3 罐内液体冲击等效机械模型与模拟试验台对比验证90-91
• 3.4 本章小结91-93
• 第4章 罐内液体非线性冲击运动研究93-107
• 4.1 非线性激励下钟摆模型的建立93-97
• 4.2 非线性钟摆模型的参数确定97-100
• 4.2.1 非线性钟摆模型摆线长度的确定97-99
• 4.2.2 非线性钟摆模型冲击质量的确定99-100
• 4.3 罐内液体冲击非线性钟摆模型数值仿真分析100-106
• 4.3.1 非线性钟摆模型仿真试验100-101
• 4.3.2 非线性钟摆模型与ANSYS Fluent对比分析101-105
• 4.3.3 非线性钟摆模型与模拟试验台对比分析105-106
• 4.4 本章小结106-107
• 第5章 罐内液体冲击对液罐汽车行驶稳定性影响107-121
• 5.1 液罐汽车流固耦合动力学模型107-111
• 5.1.1 液罐汽车侧向响应动力学模型建立107-110
• 5.1.2 液罐汽车流固耦合动力学模型仿真试验110-111
• 5.2 改进型遗传算法对液罐汽车侧向稳定性模型优化111-115
• 5.2.1 遗传算法简介111
• 5.2.2 改进型遗传算法111-113
• 5.2.3 优化结果分析113-114
• 5.2.4 优化结果对比114-115
• 5.3 罐内液体冲击运动对侧倾稳定性影响115-118
• 5.4 液罐汽车侧倾极限状态的确定118-119
• 5.5 本章小结119-121
• 第6章 总结与展望121-125
• 6.1 总结121-122
• 6.2 研究展望122-125
• 参考文献125-139
• 致谢139-141
• 作者简介及攻读博士期间所取得的科研成果141-142

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