賈心紅，張竹林，蔣德飛

半掛式液罐車罐內(nèi)液體晃動及其對整車側(cè)翻穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀

賈心紅，張竹林*，蔣德飛

（山東交通學院汽車工程學院，山東 濟南 250011）

半掛式液罐車具有載重大、運輸效率高、經(jīng)濟成本低的特點，逐步成為我國液體貨物道路運輸?shù)闹髁?。車輛運行過程中罐內(nèi)液體晃動和車輛運動之間的耦合作用大大降低車輛的行駛穩(wěn)定性，使液罐車易發(fā)生橫擺、側(cè)翻等問題。文章主要對罐內(nèi)液體晃動的常見研究方法及液體晃動對側(cè)翻穩(wěn)定性影響進行總結(jié)分析，為研究半掛式液罐車側(cè)翻穩(wěn)定性提供一定的理論基礎。

半掛式液罐車；液體晃動；側(cè)翻穩(wěn)定性

引言

半掛式液罐車載重大、質(zhì)心高且罐體內(nèi)液體容易晃動，在某些外界激勵下非常容易發(fā)生側(cè)翻，再加之其運載的液體貨物大多具有易燃易爆、劇毒等危險屬性，由側(cè)翻引起的液體貨物泄露、燃燒、爆炸等二次事故造成的后果更加嚴重。影響半掛式液罐車發(fā)生側(cè)翻的原因非常復雜，一般情況下，半掛式液罐車的罐體處于非滿載狀態(tài)，相比于裝載剛體貨物的半掛車輛而言，即使是在常規(guī)的制動、轉(zhuǎn)向等正常行駛過程中，罐內(nèi)液體發(fā)生晃動，使得車輛的側(cè)翻幾率也遠高于裝載等質(zhì)量剛體貨物的半掛車。因此研究半掛式液罐車液體晃動機理及其對整車側(cè)翻穩(wěn)定性的影響是十分有必要的。

1 罐內(nèi)液體晃動研究現(xiàn)狀

液罐車充液系統(tǒng)是同時包括氣相和液相的復雜力學系統(tǒng)，因此對充液系統(tǒng)的動力學模擬分析異常困難。尤其針對罐內(nèi)液體部分裝載時，液罐內(nèi)會出現(xiàn)自由液面，這極大地增加了分析的難度。罐內(nèi)液體晃動研究目前多采用準靜態(tài)液體模型方法、機械等效力學模型方法、液體晃動動力學模型方法、實驗/仿真法等。

1.1 準靜態(tài)液體模型方法

靜態(tài)液體模型（QS模型）基于液體靜力平衡微分方程，估算每一時刻罐內(nèi)液體傾斜度，通過計算瞬時液體質(zhì)心位置，得到液體晃動的沖擊效果。該模型假設液體表面是一個平面并做整體運動，考慮車輛的離心力和慣性力，其優(yōu)勢是計算速度快，但該模型局限于形狀規(guī)則罐體，且預測液體晃動達到穩(wěn)態(tài)時的動力學響應，無法反應液體的動態(tài)變化和晃動過程。文獻[1]將轉(zhuǎn)向行駛的液罐車罐內(nèi)液面晃動視為準靜態(tài)變化過程，建立準靜態(tài)液體模型，分析液體晃動對液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性的影響。文獻[2]建立了非滿載橢圓形罐體準靜態(tài)液體模型，并與FLUENT瞬時沖擊仿真結(jié)果對比得出：FLUENT仿真得到液體瞬時沖擊的作用力和質(zhì)心位置的平均值與該模型計算所得基本一致，該模型預測液罐車側(cè)傾閾值比實際車輛情況偏高。

1.2 機械等效力學模型方法

機械等效力學模型就是利用易于分析計算的機械模型來近似模擬罐內(nèi)液體晃動，將流體動力學問題轉(zhuǎn)化為機械運動問題。常見的機械等效力學模型有單擺模型、彈簧－質(zhì)量模型、橢圓規(guī)鐘擺模型等。

文獻[3]等通過建立液罐車等效晃動動力學單擺模型，對比等質(zhì)量的固體貨物的運動狀態(tài)，驗證液體晃動降低整車側(cè)傾穩(wěn)定性。文獻[4]等基于液體晃動與車輛運動的耦合關(guān)系，建立罐體內(nèi)液體晃動等效橢圓軌鐘擺模型，通過液罐車動力學響應特性分析得到，影響液罐車行駛穩(wěn)定性的主要因素是轉(zhuǎn)載液體質(zhì)量與罐車整體質(zhì)量的比值，應該盡量避開液罐車充液比是0.4 : 0.7的情況。文獻[5]將等效單擺模型進行參數(shù)化辨識，即運用CFD軟件分析橢圓形截面貯罐內(nèi)液體晃動，后通過MATLAB軟件對數(shù)值仿真結(jié)果進行擬合，實現(xiàn)等效力學模型參數(shù)化，并進一步驗證了模型的正確性。

機械等效力學模型是目前分析規(guī)則罐體罐內(nèi)液體晃動常用的方法。我們不難發(fā)現(xiàn)機械等效力學模型對于工程上計算晃動力或力矩，能保證模型的實時性同時兼顧準確性，該模型參數(shù)來源于線性晃動理論或?qū)嶒灲Y(jié)果，模擬液體的非線性晃動特性存在一定的偏差，難以求解具體的晃動細節(jié)。

1.3 液體晃動動力學模型方法

液體晃動動力學模型可分為線性動力學法和CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，線性動力學方法一般分析罐內(nèi)液體小幅晃動，而CFD可用于求解罐內(nèi)液體復雜非線性晃動，但計算量比較大。文獻[6]建立帶彈性膜的罐內(nèi)液體晃動動力學模型，基于液體晃動與彈性膜的耦合作用分析彈性膜對液體晃動的影響。文獻[7]建立了帶橫向防波板的液體晃動三維CFD模型，并分析了防波板曲率、開孔大小、形狀、位置等對液體晃動的影響。

1.4 實驗/仿真法

仿真法求解準確，成本較低、簡單明了，具有明顯優(yōu)勢，尤其隨著計算機的快速發(fā)展，建立ANSYS液體仿真模型，已成為目前研究罐內(nèi)液體晃動常用方法。罐內(nèi)液體處于復雜激勵條件時，基于線性/非線性理論模型研究及仿真方法，并不能完全反映晃動過程物理變化，存在一定的局限性。實驗法能夠真實反映物理變化過程，但實車操作危險度大、成本較高，往往采用等比例縮放液罐或圓柱液罐在試驗臺上進行實驗研究。

文獻[8]通過Ansys/Fluent軟件建立液罐車液體晃動模型，結(jié)合三自由度液罐車剛體模型，建立車－液耦合的動力學模型，分析罐內(nèi)液體晃動對液罐車橫向穩(wěn)定性的影響。不難發(fā)現(xiàn)對于形狀復雜的罐體，實驗/仿真法來驗證分析所建立的模型有效性已成為一種常用方法[9-12]。

根據(jù)上述分析，可知半掛式液罐車罐內(nèi)液體晃動研究起步比較晚，很多學者的研究往往基于準靜態(tài)方法或等效力學模型方法來建立罐內(nèi)液體晃動模型，然后再與流體仿真軟件進行對比驗證。雖然節(jié)省部分人力物力，但是研究結(jié)果的精確性不能保證，尤其是液體的非線性晃動部分。對罐內(nèi)液體晃動的研究要注重流固耦合機理研究，重點關(guān)注液體非線性晃動，建立流固耦合動力學模型是關(guān)鍵。

2 液罐車液體晃動對側(cè)翻穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀

半掛式液罐車由于載重大、質(zhì)心高且罐體長度遠遠大于車輪間距，使得液罐車比普通半掛車更容易發(fā)生擺振、側(cè)滑、側(cè)翻，研究其側(cè)翻穩(wěn)定性是非常必要的。基于液罐車罐體的形狀結(jié)構(gòu)、內(nèi)置防波板數(shù)量及結(jié)構(gòu)、罐體充液比，車輛行駛工況等分析車輛側(cè)傾穩(wěn)定性，目前這類研究較多，通過對液罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善車輛的操縱穩(wěn)定性。

文獻[13]研究了液體晃動線性激勵下的整車側(cè)翻穩(wěn)定性，當充液比為50%～80%時，等截面的橢圓形罐體液體晃動頻率低于圓形截面，具有較好的側(cè)傾穩(wěn)定性；文獻[14]分析計算變截面液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性，在一定范圍內(nèi)，液罐的變截面高度差越大，車輛質(zhì)心越低，越有利于車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。文獻[15]優(yōu)化了考慮罐內(nèi)液體質(zhì)心變化的車輛三自由度模型，通過仿真得到轉(zhuǎn)向工況下，車輛行駛速度與前輪轉(zhuǎn)角之間的臨界曲線，低于臨界曲線時，車輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率低，側(cè)傾穩(wěn)定性較好。

除了罐車罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，防側(cè)翻主動控制技術(shù)也是提升車輛側(cè)翻穩(wěn)定性的重要研究方向。在車輛的主動防側(cè)翻控制方面，目前主要有主動懸架、主動轉(zhuǎn)向和差動制動等幾類控制方式。其中，差動制動通過對車輪制動力不對稱分配產(chǎn)生附加橫擺力矩，減小車輛側(cè)傾加速度，降低車速，避免車輛側(cè)翻。文獻[16]基于差動制動，設計了一種多模型、切換和調(diào)整的自適應控制器，來防止車輛的側(cè)翻，并通過受控和非受控車輛對比驗證了此控制器的性能優(yōu)勢。文獻[8]等分析了液罐車在轉(zhuǎn)向或換道時，車－液耦合動態(tài)響應對整車穩(wěn)定性影響，提出了模糊差動制動控制策略。仿真實驗表明：模糊PID差動制動控制，減小了車輛的橫擺角速度、側(cè)傾角和側(cè)向加速度，提高了液罐車行駛穩(wěn)定性。

半掛式液罐車行駛工況復雜，其側(cè)傾穩(wěn)定性受多重因素影響。目前大多數(shù)學者研究從車輛自身性能和主動安全控制方面來提升車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，綜合分析液罐車行駛工況、路況及駕駛員操縱方面研究相對較少。半掛式液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性問題，還需充分挖掘各復雜行駛工況下的駕駛員、道路等影響因素，協(xié)同研究，全面提高液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性。

３ 結(jié)語

半掛式液罐車罐體內(nèi)液晃動非常復雜，建立一種簡單、有效、準確的液體晃動模型是十分重要的。最常用的方法是將液體晃動適度簡化，在簡化模型的基礎上建立罐車動力學模型。本文分析了液罐車罐內(nèi)液體晃動四種常見方法——準靜態(tài)液體模型方法、機械等效力學模型方法、液體晃動動力學模型方法和實驗/仿真法的優(yōu)勢和不足，便于根據(jù)不同的研究需求選擇相應的方法。在液罐車臨近側(cè)翻的一定范圍內(nèi)，考慮液體的高階晃動和液體晃動的非線性特性，而在中低車速、較穩(wěn)定工況中可采用一階單擺模型模擬液體晃動[17]。不難發(fā)現(xiàn)，研究過程中罐車內(nèi)液體的非線性晃動模擬精確度相對較差，液體也通?？醋魇抢硐氲牧黧w，忽略了粘性液體阻尼作用對車輛晃動和側(cè)傾穩(wěn)定性的影響。

考慮罐內(nèi)液體晃動的液罐車防側(cè)翻控制策略研究已經(jīng)成為安全領(lǐng)域研究的熱門話題。大多研究往往基于單一的側(cè)向動力學建模來研究液罐車側(cè)翻穩(wěn)定性。非滿載液罐車罐內(nèi)液體晃動規(guī)律非常復雜，再加上與車輛動力學的強耦合作用，建立完整有效的液－罐－車耦合動力學模型非常困難。同時考慮縱向和側(cè)向動力學的建模復雜，目前研究相對較少。比如非滿載液罐車在轉(zhuǎn)向制動或轉(zhuǎn)向加速復雜行駛工況下，車－液耦合動力學模型還有待于進一步研究。

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Research Status of Influence of Liquid Sloshing in Tank on Rollover Stability of Semi-loaded Tank Truck

JIA Xinhong, ZHANG Zhulin*, JIANG Defei

( School of Automotive Engineering, Shandong Jiaotong University, Shandong Jinan 250011 )

With the characteristics of heavy load, high transportation efficiency and low economic cost, semi-trailer liquid tank truck has gradually become the main force of road transportation of liquid goods in China. The coupling effect between the liquid sloshing in the tank and the vehicle movement greatly reduces the driving stability of the vehicle, and makes the liquid tank vehicle prone to yaw, rollover and other problems.This paper mainly summarizes and analyzes the common research methods of liquid sloshing in the tank and the common control strategies to prevent the rollover of liquid tank truck, so as to provide a certain theoretical basis for the study of the rollover stability of semi-trailer liquid tank truck.

Semi-trailer liquid tank truck;Liquid sloshing;Rollover stability

A

1671-7988(2022)01-193-04

U469.6+1

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1671-7988(2022)01-193-04

CLC NO.: U469.6+1

賈心紅（1989—），女，山東交通學院汽車工程學院；

張竹林（1979—），男，副教授，研究生導師，就職于山東交通學院汽車工程學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.044