【摘要】：公路液罐車是最廣泛的液體危險品運輸工具,但由于重心高、液體晃動大且強非線性、液體晃動與車輛運動耦合等特點,易導致側翻等失穩(wěn)事故,并極易伴隨油品爆炸和泄漏等次生事故,產生更大的危害和損失。目前的研究大多數(shù)采用結構優(yōu)化的方式改進液罐車的穩(wěn)定性,并集中于討論結構、充液比等變量對液體晃動和液罐車動力學特性的影響,但對車-液耦合動力機制、液體晃動對車輛失穩(wěn)的貢獻度等問題的研究還不夠深入,而這些都是建立合理的液罐車輛簡化模型、針對液罐車輛進行準確有效的主動安全控制的前提。同時,針對液罐車輛特點的主動防側翻控制的研究還很少,因此,液罐車輛應該考慮哪些特性、采用何種方法進行防側翻控制,如何降低誤警率、提高防側翻控制效果,也是急需探索的。本文依托于國家自然科學基金“公路液罐車液固耦合機理與防側翻控制研究”(編號:51575224)、吉林省科技發(fā)展計劃項目“基于電控制動系統(tǒng)的重型商用車穩(wěn)定性控制”(編號:20170414045GH)和“重型車輛電控氣壓制動系統(tǒng)開發(fā)與匹配”(編號:20150204066GX),在調研國內外液罐車輛動力學特性和主動安全控制方法的研究成果的基礎上,針對液罐車輛車-液耦合動力學機理不清和整車側傾穩(wěn)定性控制不完善的問題,考慮非滿載液罐車液體具有瞬態(tài)晃動的特點,重點研究車-液耦合動力機制,提出合理的液罐車內液體晃動動力學模型的簡化依據(jù),據(jù)此建立能夠合理表征實際工況下液罐車內液體特性及對車輛影響的液體非線性晃動等效力學模型,并開發(fā)了考慮液體晃動特點的液罐車主動防側翻控制算法。主要包括以下幾方面的工作:(1)液罐車雙向耦合精細模型的建立及車-液耦合動力學特性的分析針對液罐車車-液耦合動力學特性不明,導致液罐車動力學建模缺乏理論指導的問題,在液體晃動特性及其對車輛響應的影響程度不完全確定的情況下,為了盡量精確地模擬液體和車輛的動力學特性,基于FLUENT軟件建立液體晃動數(shù)值模型,基于TruckSim軟件建立車輛動力學模型,通過創(chuàng)建FLUENT與Truck Sim時序信息雙向傳遞平臺建立了液罐車雙向耦合精細模型。在此基礎上,通過對比剛體貨物車輛模型、基于準靜態(tài)液體的液罐車模型、基于液體晃動等效單擺模型的液罐車模型,與本文液罐車雙向耦合精細模型仿真結果的差異,討論實際道路工況下,各種液體晃動響應成分被激發(fā)的程度及其對車輛響應的貢獻,即車-液動力學耦合程度,為建立液罐車內液體等效力學模型提供指導意見。(2)液罐車內液體非線性等效力學模型的建立根據(jù)基于液罐車雙向耦合精細模型的車-液耦合動力學特性分析的結論,對操穩(wěn)工況下液體的側向晃動,應考慮隨著工況劇烈程度增大,液體晃動頻率增大、沖擊力放大系數(shù)降低,為此建立了液體側向非線性晃動橢圓擺等效模型;對制動工況下液體的縱向晃動,由于液罐車罐體內普遍裝有開孔橫隔板,應考慮主頻晃動,且基頻頻率隨工況劇烈程度而改變,以及開孔橫隔板導致的腔室間液體流動及其阻尼效應,為此建立了液體縱向非線性晃動橢圓擺等效模型,并類比管道流動,分析了腔室間質量流量與孔/板面積比、孔的位置函數(shù)、外部加速度激勵的關系,進而建立了開孔隔板多腔罐體的液體縱向非線性晃動等效力學模型,并采用遺傳算法辨識了縱向橢圓擺等效模型參數(shù)、腔室間質量轉移模型參數(shù)以及總的阻尼系數(shù)。為液罐車系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、控制策略開發(fā)提供快速計算和合理的液體晃動模型基礎。(3)液罐車側傾動態(tài)穩(wěn)定性分析結合罐內液體側向非線性晃動橢圓擺等效模型,和考慮車輪抬起的車輛側傾動力學,建立液罐車側傾動力學模型,采用相空間分析的方法,對狀態(tài)變量初值、系統(tǒng)輸入——側向加速度等對液罐車側傾動力學特性的影響進行分析,深入理解車體側傾-液體晃動耦合的內在機理,明確液罐車側傾運動軌跡主要特性和原因,為液罐車防側翻控制提供理論指導。(4)液罐車橫擺-抑晃-防側翻集成控制策略的開發(fā)針對液體晃動導致液罐車響應波動且易側翻的特點,綜合考慮液罐車的液體晃動抑制、橫擺穩(wěn)定性和側傾穩(wěn)定性控制,基于ESC系統(tǒng)開發(fā)了液罐車橫擺-抑晃-防側翻集成控制策略。對于車輛操縱不太穩(wěn)定,但尚未進入側傾不穩(wěn)定狀態(tài)的過渡區(qū)域,開發(fā)了以液罐車輛的橫擺、側偏和液體的等效擺角跟隨期望值為控制目標的LQR橫擺抑晃控制方法,推遲進入防側翻控制的時機;針對臨近側翻的危險工況,開發(fā)了以盡量減少液罐車橫向載荷轉移率LTR為控制目標的LQR輸出最優(yōu)防側翻控制方法;為了動態(tài)區(qū)分側翻失穩(wěn)緊急程度,防止誤觸發(fā)或過晚觸發(fā)控制系統(tǒng),開發(fā)了考慮液體晃動的側翻預警時間TTR預警算法,并以TTR為切換指標,進行橫擺抑晃控制模式和防側翻控制模式的切換。(5)縮比液罐實車實驗系統(tǒng)的建立和實車場地實驗根據(jù)相似性原理對原型液罐進行合理縮比,以使縮比液罐基本能夠反映原型液體特性;然后搭建了能夠實現(xiàn)可視化觀察和總體晃動力測量的縮比液罐測試臺架,通過改裝得到縮比實驗液罐車;最后,通過實車實驗,對本文液體數(shù)值模型和液罐車雙向耦合模型進行了驗證,并對液罐車的車-液耦合動力學特性進行了實驗研究。本文的研究創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下三個方面:(1)探明了車-液耦合動力學的主要特征。針對液罐車車-液耦合動力學特性不明的問題,首次基于液罐車雙向耦合精細模型分析了各種液體晃動成分被激發(fā)的程度及其對車輛響應的影響,明確了液罐車建模中必須考慮液體晃動頻率和沖擊放大效應隨工況變化的特性,及縱向晃動時腔室間液體流動和阻尼特性。(2)建立了能夠描述車-液耦合主要特征的液體縱向和側向非線性晃動等效力學模型。針對現(xiàn)有罐車內液體等效模型不能合理反映液罐車動力學特性的問題,通過縱向/側向橢圓擺等效模型描述液體晃動頻率和沖擊放大效應隨工況變化的特性,通過腔室間質量流量模型描述有孔隔板導致的腔室間質量轉移和阻尼效應。(3)開發(fā)了液罐車橫擺-抑晃-防側翻集成控制策略。針對液體晃動導致液罐車響應波動且易側翻的特性,綜合考慮液罐車的液體晃動抑制、橫擺穩(wěn)定性和側傾穩(wěn)定性控制,并采用考慮液體晃動的TTR側翻預警時間作為防側翻控制模式的觸發(fā)指標,區(qū)分工況緊急程度,降低誤警率,提高控制效果。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U469.61
【圖文】：

液罐車動力學具有與一般充液系統(tǒng)動力學類似的特性和研究方法，因此本文液系統(tǒng)內液體的一般建模方法及晃動特性進行介紹。1 充液系統(tǒng)液體晃動動力學特性部分充液系統(tǒng)具有無限多個自由度，在外部擾動的作用下，會引發(fā)液體的晃由液面的運動。對于非滿載罐體，罐體的水平晃動會導致液體表面波。液體表面波的基頻晃動是反對稱波，具有一個波峰和一個波谷，是完整駐波對于更高頻的固有頻率，會產生多個波峰波谷[4]。罐內液體晃蕩通常有四種，行波，水躍以及三者的結合。充液比較低、且運動頻率遠離固有頻率時，會形成駐波，隨著容器運動頻率接近液體固有頻率，會形成波長較短的行波運動頻率在水躍形成頻率范圍內，就會產生水躍現(xiàn)象，且水躍發(fā)生的時間與頻率有關。而伴隨著不同的液體晃蕩波形，會產生更多復雜的物理現(xiàn)象，如與破碎，抨擊，氣液兩相流，氣穴效應等，如圖 1.1 所示[5]。

動力學、民用工程等領域也具有很大的借鑒作用。公路用液罐車的置的柱狀或類似柱狀液罐，其橫截面通常為橢圓形、圓柱形或魯洛規(guī)定會沿軸線方向布置若干橫隔板，橫隔板是完全封閉的或是具有形式。本文只對公路用的形式或與其類似的液罐內液體晃動特性研體沖擊特性研究最為深入、成果最多的當屬 NASA。1966 年，NAS體內的大幅度非線性液體側向沖擊進行了實驗分析，實驗過程中著同外界激勵下的自旋問題。大 Concordia 大學的 CONCAVE 中心對水平柱形液罐內的液體晃動的研究。建立了如圖 1.2 所示的縮比液罐實驗臺，采用數(shù)值模擬和縮方式，對縱向、側向，以及縱-側向聯(lián)合激勵下，液體晃動的頻率特都做了研究，并分析了充液比、橫隔板形式和數(shù)量、激勵大小、聯(lián)動的影響[7][8][9][10][11]。

吉林大學博士學位論文墨西哥運輸研究所的 Manuel J.Fabela-Gallegos 等人[12,13]對搭建了如圖 1.3 1:10 的縮比液罐，對橢圓柱形液罐受縱向制動沖擊時的縱向液體晃動進行了實罐運動到邊界位置時利用擋板擋住液罐模擬瞬時沖擊，分析了橫隔板個數(shù)和形液比對液體縱向晃動的影響。

【參考文獻】

相關期刊論文 前8條

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本文編號：2749142