賈會(huì)星

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，安徽 滁州 239000)

汽車行駛速度的提高使人們生活和工作更加便捷高效。車速越高，對于罐式汽車制動(dòng)時(shí)的行駛穩(wěn)定性也要求越高。罐式汽車一般裝載質(zhì)量較大，所運(yùn)輸介質(zhì)大多為液體，當(dāng)罐車制動(dòng)時(shí)，罐內(nèi)液體的晃動(dòng)會(huì)對其行駛穩(wěn)定性造成極大影響。為了提高罐車的行駛穩(wěn)定性，研究罐車制動(dòng)時(shí)液體晃動(dòng)對行駛穩(wěn)定性的影響有著重要的意義。

1 計(jì)算模型的建立

本文采用Fluent軟件，運(yùn)用VOF方法對罐車罐體內(nèi)液體大幅晃動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。在每個(gè)控制單元里，流體成分相態(tài)的存在性決定了遷移方程的特性。這是個(gè)雙相位系統(tǒng)，該系統(tǒng)用下標(biāo)1表示氣體，下標(biāo)2表示液體。如果流體的體積分?jǐn)?shù)不斷變化，則每個(gè)小單元的密度如下:

式中: ρ1、ρ2分別為氣體和液體密度;μ1、μ2分別為氣體和液體密度動(dòng)力黏度系數(shù)。

體積分?jǐn)?shù)方程不可以解決氣體相態(tài)。規(guī)定體積分?jǐn)?shù)αq的和為:，在每個(gè)小單元里αq是相等的，如此可計(jì)算得到氣體的體積分?jǐn)?shù)。

只需解決整個(gè)網(wǎng)域的一個(gè)單一方程，以此作為最終的速度域由所有相位所共享。通過ρ和μ，依照所有的相位體積分?jǐn)?shù)得出動(dòng)量方程，如式(2)所示:

1.1 罐式汽車模型的建立

本文根據(jù)某油罐車廠家提供的實(shí)車參數(shù)，利用CATIA三維建模軟件做出罐車的三維模型(圖1)。

圖1 罐車三維模型

1.2 網(wǎng)格的劃分

靠近罐體壁及防波板附近的黏性流體流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，本次研究采用TetHybrid網(wǎng)格單元類型。其他流體區(qū)域采用HexWedge網(wǎng)格單元類型，既可以控制網(wǎng)格數(shù)量，又可以提高計(jì)算效率。網(wǎng)格模型如圖2所示，x軸指向汽車前進(jìn)方向且平行于地面，y軸平行于地面向左，z軸垂直地面向上。

圖2 罐車模型網(wǎng)格

1.3 邊界條件及初始條件的設(shè)定

罐體及防波板表面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，初始時(shí)氣液交界面平行于xy平面，假設(shè)液體和氣體相對罐體速度為0，氣體壓強(qiáng)為1×105Pa。

1.4 求解方法及計(jì)算參數(shù)的確定

這里，速度和壓強(qiáng)的耦合處理方法采用PISO法，壓力修正方程的離散格式采用Body Force Weighted格式，對流項(xiàng)離散格式采用一階迎風(fēng)格式。罐體內(nèi)二相流為空氣和煤油，空氣假設(shè)為理想氣體，設(shè)其密度為1.225 kgm3，動(dòng)力黏性系數(shù)為1.7894×10－5kg(m·s);煤油密度為 780 kgm3，動(dòng)力黏性系數(shù)為2.24×10－3kg(m·s)。非定常計(jì)算中時(shí)間步長為0.0001 s，并且每計(jì)算20步記錄一次流體動(dòng)態(tài)模擬圖像。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 液體晃動(dòng)受制動(dòng)減速度的影響

在不同路面上，地面制動(dòng)力為:

故汽車能達(dá)到的減速度為:

若允許汽車的前后車輪同時(shí)抱死，則

若裝有理想的制動(dòng)防抱死裝置來控制汽車的制動(dòng)，則制動(dòng)減速度為

故罐車受到制動(dòng)減速度ab變化范圍應(yīng)滿足如表1給出的各路面平均附著系數(shù)。

表1 幾種路面平均附著系數(shù)

假設(shè)，罐車充液比 Δ =Vliquid滿載Vliquid非滿載=0.8，制動(dòng)前罐車勻速直線行駛，從t=0時(shí)刻開始制動(dòng)，制動(dòng)減速度ab每間隔0.1 g從ab=0.2 g到ab=0.5 g，4 種工況。

仿真過程中，罐車制動(dòng)時(shí)受到地面提供的制動(dòng)力作減速運(yùn)動(dòng)，而罐體內(nèi)的液體受到慣性力的作用向行駛方向迅速涌起，隨后又涌落，如此往復(fù)。液體晃動(dòng)會(huì)引起罐體內(nèi)液體對罐體壁產(chǎn)生沖擊力(圖3、圖4)、液體重心位置變化以及載荷分布變化(圖5)，使得罐車制動(dòng)穩(wěn)定性能變差。

在仿真過程中，每隔0.1 s記錄一次罐體在x、y、z方向受力大小，計(jì)算結(jié)果表明制動(dòng)時(shí)罐體受y方向沖擊力變化很小約等于0，在2 s內(nèi)罐體在x，z方向所受液體沖擊力大小Fx，F(xiàn)z隨時(shí)間的變化歷程分別如圖3、圖4所示，其中Fx沿 x軸正向，F(xiàn)z沿z軸負(fù)向。

圖3 不同減速度下x方向罐體受力

圖4 不同減速度下z方向罐體受力

由圖3可見，制動(dòng)開始后2 s內(nèi)，罐體所受x方向沖擊力大小迅速增大，到達(dá)第一個(gè)峰值之后，液體由于前端隔板的阻擋開始往回運(yùn)動(dòng)，受力逐漸減小，涌向另一端后受力又逐漸增大，如此往復(fù)。同時(shí)，x方向受力峰值、變化幅度均隨減速度的增大而增大，并且減速度越大，峰值增速越快。

由圖4可見，制動(dòng)開始后2 s內(nèi)，罐體z方向受力圍繞G=253 kN(靜止時(shí)罐體受力)上下波動(dòng)變化，到達(dá)第一波峰之后受力逐漸變小，又逐漸變大到第二波峰，如此周而復(fù)始。同時(shí)，z向受力峰值、變化幅度也均隨減速度的增大而增大，并且減速度越大，峰值增速越快。

罐車制動(dòng)時(shí)液體晃動(dòng)影響整車的軸荷分配。圖5為不同加速度下，t=0.3 s時(shí)罐體底部壓強(qiáng)對比圖。

圖5 不同ab下，t=0.3 s時(shí)罐體底部壓強(qiáng)

由圖5可見，不同ab時(shí)的汽車載荷前后分布不均勻，且ab越大差距越大。

2.2 充液比對液體晃動(dòng)的影響

罐車罐體在充裝時(shí)不允許充滿全部容積，必須留出液體膨脹所需空間，否則會(huì)因溫升、液體膨脹力過大而產(chǎn)生破裂，所以罐車在充裝時(shí)必須嚴(yán)格控制充裝量［3］。

假設(shè)充液比Δ每間隔0.1取值，從Δ=0.5到Δ=0.8共4種工況下，制動(dòng)前罐車勻速直線行駛，從t=0時(shí)刻以ab=0.5g開始制動(dòng)，罐體在x，z方向所受液體沖擊力絕對值大小Fx，F(xiàn)z隨時(shí)間的變化歷程分別如圖6、圖7所示，其中Fx沿x軸正向，F(xiàn)z沿z軸負(fù)向。

圖6 不同Δ下x方向罐體受力

圖7 不同Δ下z方向罐體受力

由圖6、圖7可見，隨著Δ的增加，兩個(gè)方向的整體受力均明顯增大，z方向受力峰值隨Δ的增加單調(diào)增大，而x方向受力峰值隨Δ的增加先增大后減小。

由圖8可見，不同Δ時(shí)的汽車載荷前后分布不均勻，且Δ越大差距越大。

2.3 防波板對液體晃動(dòng)的影響

假設(shè)罐車充液比Δ=0.8，制動(dòng)減速度為ab=0.5g，設(shè)計(jì)了有橫向防波板、無橫向防波板的動(dòng)態(tài)仿真對比。

由圖9可見，罐車在相同制動(dòng)減速度下，有防波板時(shí)罐體x方向受力變化幅度明顯小于無防波板時(shí)，并且峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無防波板時(shí)。

由圖10可見，罐車在相同制動(dòng)減速度下，有防波板時(shí)罐體z方向受力變化幅度明顯小于無防波板時(shí)，并且最大峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無防波板時(shí)。圖11所示為相同條件下，t=0.3 s時(shí)罐體底部壓強(qiáng)對比圖。

圖8 不同Δ下，t=0.3 s時(shí)罐體底部壓強(qiáng)

圖9 罐體x方向受力對比

圖10 罐體z方向受力對比

圖11 相同條件下，t=0.3 s時(shí)罐體底部壓強(qiáng)對比圖

仿真結(jié)果對比表明，設(shè)置橫向防波板對行駛方向抑制液體晃動(dòng)效果非常明顯。

通過以上分析，相對于運(yùn)輸固體貨物的貨車，運(yùn)輸液體貨物的罐車隨著制動(dòng)減速度、充液量的增加，由于晃動(dòng)干擾的原因，其所受到的縱向力和縱向力矩峰值增加迅速，這使得罐車行駛時(shí)制動(dòng)穩(wěn)定性變差?？v向力的大小在水平路面對車身穩(wěn)定性影響不大，但在坡道行駛時(shí)，對車身穩(wěn)定性影響較大。故在坡道行駛時(shí)，為了保證罐車的行駛安全，應(yīng)降低制動(dòng)減速度、減小充液量、設(shè)置防波板。而減小充液量使罐車的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性變差，故為了保證罐車的坡道行駛安全，與裝載固體貨物總質(zhì)量相同的貨車相比，罐車必須以更低的車速、更小制動(dòng)減速度或設(shè)置合理的防波板，才能確保坡道行駛的安全性。

3 結(jié)語

本文分別對罐車無防波板時(shí)不同制動(dòng)減速度，不同充液比，以及充液比Δ=0.8、制動(dòng)減速度ab=0.5 g條件下，罐車有、無防波板3種情況的罐內(nèi)液體晃動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明:

(1)隨著制動(dòng)減速度增加，罐體豎直、行駛方向受力峰值及側(cè)傾力矩均變大;隨充液比增加，豎直方向受力峰值增大，行駛方向受力峰值與側(cè)傾力矩峰值先增大后減小。而增加的行駛方向受力峰值及側(cè)傾力矩嚴(yán)重影響罐車坡道行駛的穩(wěn)定性，這要求罐車駕駛員在坡道行駛時(shí)相對于運(yùn)送固態(tài)貨物的車輛來說，應(yīng)以更低的車速、更小制動(dòng)力來操作罐車，才能確保罐車坡道行駛的穩(wěn)定性。

(2)在相同條件下，對有、無防波板的罐體內(nèi)液體晃動(dòng)仿真結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)有防波板時(shí)，罐體豎直、行駛方向受力變化幅度明顯減小，設(shè)置橫向防波板對罐車制動(dòng)時(shí)抑制液體晃動(dòng)效果明顯。故在罐車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)置合理的橫向防波板以提高其制動(dòng)時(shí)的行駛穩(wěn)定性。

［1］王照林，劉延柱.充液系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］洑春干，薛定.槽罐車操作技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.2.

［4］王勇.考慮液體晃動(dòng)的三大件轉(zhuǎn)向架罐車耦合系統(tǒng)動(dòng)力性能研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2004.

［5］劉靜.液罐車防側(cè)翻姿態(tài)控制與報(bào)警策略仿真分析［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2009.