于迪　李顯生　劉宏飛　鄭雪蓮　徐藝

摘 要：為了解決非滿載液罐車在轉向過程中側傾穩(wěn)定性差的問題，建立了非滿載液罐車罐內(nèi)液體沖擊等效機械模型及整車運動學模型， 運用流固動力學耦合原理對兩者進行耦合.運用此模型對5種不同尺寸比例的橢圓形截面罐體進行數(shù)值仿真試驗，結果表明，當橢圓長軸（2a）與短軸（2b）之比為1.5時，液罐車所受罐內(nèi)液體沖擊力及力矩最小，具有較好的側傾穩(wěn)定性.研究結果為液罐車行車側傾穩(wěn)定性的研究和整車設計，提供了理論和技術支持.

關鍵詞：液體沖擊；非滿載液罐車；側傾穩(wěn)定性；等效機械模型；罐體尺寸

中圖分類號：U469.5 文獻標識碼：A

Abstract：In order to solve bad roll stability problem of partially-filled tanker in the process of steering， the liquid sloshing equivalent mechanical model and the partially filled tanker vehicle motion model were developed. Two models were coupled by dynamics of solid-fluid interaction. Five different size proportions of elliptical tankers cross section were selected to simulate， it is concluded that the tanker has better roll stability because it has minimum sloshing force and moment， when long axis （2a） and short axis （2b） of the elliptical is the ratio of 1.5. The results provide technical support for the tankers driving roll stability research and vehicle design.

Key words：liquid sloshing； partially-filled tank truck； roll stability； equivalent mechanical model； tank size

非滿載液罐車發(fā)生側翻事故將會引起嚴重后果，具有影響范圍大、程度深、人員傷亡嚴重、環(huán)境破壞劇烈的特點，因此解決非滿載液罐車側傾穩(wěn)定性差的問題顯得尤為重要[1].發(fā)生在高速公路上的液罐車交通事故比重較大，大多發(fā)生在轉彎路段[1].研究發(fā)現(xiàn)，與固體貨物不同，液體貨物具有易變形和流動特性，罐車在非滿載狀態(tài)下有較大的自由流動空間，這使得罐內(nèi)液體晃動成為了可能[2-3].罐內(nèi)液體質心高度和側向載荷轉移量大小是影響非滿載液罐車的側傾穩(wěn)定性的重要因素[4-5].

許多學者做了非滿載罐車的側傾穩(wěn)定性研究.Popov等[6]為了優(yōu)化橢圓形截面液罐車的尺寸參數(shù)，對基于液體質心高度的傾覆力矩進行了研究，研究表明側覆力矩的改善有利于提高液罐車的側傾穩(wěn)定性，因此優(yōu)化傾覆力矩尤為重要.Budiansky[7]在研究罐體內(nèi)液體沖擊時發(fā)現(xiàn)，液體沖擊是一種由于罐體運動引起的罐內(nèi)液體振動現(xiàn)象.液體的沖擊與罐體幾何尺寸、充液水平和振動頻率范圍等因素有關.此外，Hasheminejad等[8]研究得出結論，沖擊頻率和沖擊力的大小也與這些因素有關，對車輛行駛狀態(tài)研究的試驗中發(fā)現(xiàn)其振動頻率相對于罐內(nèi)液體的沖擊頻率很小，因此共振現(xiàn)象可以忽略.

目前對于罐內(nèi)液體沖擊的研究方法主要有：準靜態(tài)（Quasi-Static）方法[6]、流體動力學法[9]、等效機械模型法[10].準靜態(tài)方法推導過程比較簡單，但精度不高.流體動力學法受限于罐體內(nèi)液體沖擊現(xiàn)象的觀察和解釋，在理論分析上較為困難.利用等效機械模型研究液體沖擊運動，將會為液罐車制動性和行駛穩(wěn)定性問題的研究帶來諸多便利，且精度較高，該方法將流體動力學問題轉化為機械運動問題，在一定程度上彌補了流體動力學方法的不足.等效機械模型主要有彈簧質量模型與單擺模型.彈簧質量模型多用于描述線性橫向振動模態(tài)；單擺模型的突出優(yōu)點在于描述罐內(nèi)液體大幅振動.

本文建立了非滿載液罐車整車動力學模型和等效機械模型進行流固動力學耦合，獲得非滿載液罐車側傾穩(wěn)定性模型.

1 非滿載液罐車側傾穩(wěn)定性模型

1.1 罐內(nèi)液體沖擊等效機械模型

液罐車是危險化學品道路運輸?shù)闹匾d體，其交通事故極易造成嚴重的人員傷亡和環(huán)境污染.非滿載液罐車罐體內(nèi)的液體沖擊是造成液罐車側傾穩(wěn)定性下降的主因，本文的研究對象為如圖1所示的液罐車.

3 結 論

本文建立了液罐車整車運動學模型和液體沖擊等效機械模型進行流固動力學耦合，選取5種不同尺寸比例的橢圓形截面罐體進行仿真試驗.結果表明，當橢圓形長軸（2a）與短軸（2b）之比為1.50時，具有較好的側傾穩(wěn)定性.通過仿真試驗得出結論，罐體受到的沖擊力及力矩，與罐體尺寸、充液比和自由液面長度等有關.實車試驗驗證了仿真結果的正確性和可信性.本文研究結果可以應用在整車設計環(huán)節(jié)，針對不同截面形狀和面積，計算出側傾穩(wěn)定性最佳的罐體截面尺寸，設計出合理的罐體，從而降低研發(fā)和實車試驗成本.

參考文獻

[1] ACARMAN T， OZGUNER U. Rollover prevention for heavy trucks using frequency shaped sliding mode control[J]. Vehicle System Dynamics， 2003， 1（10）：7-12.

[2] ALIABADI S， JOHNSON A， ABEDI J. Comparison of finite element and pendulum models for simulation of sloshing[J]. Computers & Fluids， 2003， 32（4）：535-545.

[3] ROMERO J A， RAMREZ O， FORTANELL J M， et al. Analysis of lateral sloshing forces within road containers with high fill levels[J]. Journal of Automobile Engineering， 2006， 220（3）：303-312.

[4] KAUR A， BAKHSHI A K. Change in optimum genetic algorithm solution with changing band discontinuities and band widths of electrically conducting copolymers[J]. Chemical Physics， 2010，369：122-125.

[5] 王睿，李顯生，任園園，等.基于橫向載荷轉移量的客車側傾穩(wěn)定性分析[J].湖南大學學報：自然科學版，2013， 40（5）：49-54.

WANG Rui， LI Xian-sheng， REN Yuan-yuan， et al.Roll stability analysis of passenger car based on lateral-load transfer rate[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（5）： 49-54.（In Chinese）

[6] POPOV G， SANKAR S， SANKAR D T S. Shape optimization of elliptical road containers due to liquid load in steady-state turning[J]. Vehicle System Dynamics，1996，25（3）：203-221.

[7] BUDIANSKY B. Sloshing of liquids in circular canals and spherical tanks[J].Journal of the Aerospace Sciences，1958， 27（3）：161-173.

[8] HASHEMINEJAD S M， AGHABEIGI M. Transient sloshing in half-full horizontal elliptical tanks under lateral excitation[J].Journal of Sound and Vibration，2011， 330（14）：3507-3525.

[9] KANG X，RAKHEJA S，STIHARU I.Optimal tank geometry to enhance static roll stability of partially filled tank vehicles[R].Washington DC： SAE International，1999-01-3730.

[10]鄭雪蓮，李顯生，任園園，等.非滿載罐體液體沖擊等效機械模型參數(shù)確定[J].湖南大學學報：自然科學版，2013， 40（6）：53-58.

ZHENG Xue-lian， LI Xian-sheng， REN Yuan-yuan，et al.Parameter values of equivalent mechanical for liquid sloshing in partially-filled tanks[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013，40（6）：53-58.（In Chinese）

[11]GRAHAM E W， RODRIGUEZ A M.Characteristics of fuel motion which affect airplane dynamics[J].Journal of Applied Mechanics， 1952，19：381-388.