（载运工具运用工程专业论文）液罐车防侧翻姿态控制与报警策略仿真分析.pdf

液罐车防侧翻姿态控制与报警策略仿真分析 摘要 论文结合江苏省交通科学研究计划项目( 编号：0 6 c 0 3 卜危化品车辆防侧翻伺服 控制及报警装置”这一课题，以东风牌底盘型号为e q l1 4 1g 7 d j 的液罐车为研究对象，进 行了液罐车防侧翻车架姿态控制与报警策略仿真分析。 考虑罐内液体侧向晃动引起的质心偏移，建立液罐车做稳态转向运动时的侧倾数学模 型。推导出液罐车稳态转向时的侧翻阈值计算公式，据此，分析了影响液罐车侧倾稳定性 的主要因素。 采用实验测试、理论推算和参考文献相结合的方法获取所选车型的基本参数。根据基 本参数在a d a m s v i e w q h 建立了底盘型号为e q l1 4 1 g 7 d j 的液罐车侧倾仿真模型，模型包 括车身模型、前后悬架模型、转向模型、轮胎和地面模型等。根据在平面混凝土场地上， 车速为1 5 1 0 n h 、2 0 k m h 和2 5 k m h ，转弯半径为l o m - - d i m 的液罐车稳态圆周运动测试结果， 对仿真模型进行了修正，建立了满足精度要求的侧倾仿真模型。 考虑液体质心发生偏移对液罐车做稳态圆周运动时侧倾稳定性的影响。在不同装载系 数下，对装载等质量固体货物和液体货物车辆的侧倾稳定性进行仿真比较。然后，对液罐 车防侧翻车架姿态控制方案所取得的效果进行仿真分析，并提出液罐车防侧翻报警策略。 关键词：液罐车，防侧翻，姿态控制，报警策略，a d a m s a n t i - - r o l l o v e rs i m u l a t i o na n a l y s i so fl i q u i dt a n kv e h i c l e s o nc a r r i a g ec o n t r o la n da l a r ms t r a t e g y a b s t r a c t t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yj i a n g s up r o v i n c e1 y a 伍cs c i e n c er e s e a r c hp l a np r o j e c to f a n t i r o l l o v e rs e r v oc o n t r o la n da l a r md e v i c eo nv r e h i c l e so fh a z a r d o u sc h e m i c a lm a t e r i a l s t a k i n gat y p eo fd o n g f e n ge q l l 4 1 g 7 d jl i q u i d t a n k e rv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c t ， a n t i - r o l l o v e rc a r r i a g ec o n t r o la n da l a r ms t r a t e g yo fl i q u i dt a n kv e h i c l e si sa n a l y z e di nt h i s d i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt h el i q u i dc e n t e ro fm a s sm i g r a t i o nc a u s e db yt h el i q u i dl a t e r a ls l o s h i n g ，t h e m a t h e m a t i c sm o d e lf o rl i q u i dt a n kv e h i c l e sr o l li se s t a b l i s h e d a f t e re s t a b l i s h i n gt h em o d e l ，t h e e s t i m a t i o ne q u a t i o no fr o l l o v e rt h r e s h o l df o rp a r t i a l l yf i l l e dl i q u i dt a n kv e h i c l ed u r i n gs t e a d y s t a t ec o m i n gi sd e r i v e d t h em a i nf a c t o r st h a ti m p a c to nr o l ls t a b i l i t yo fl i q u i dt a n kv e h i c l ea r e a l s oa n a l y s e d t h ep a r a m e t e r so ft h ef u l lv e h i c l em o d e l i n ga r eo b t a i n e db a s e do nr e f e r e n c ed o c u m e n t s ， c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s ，t h ed o n g f e n ge q1141g 7 d jv e h i c l e r o l ls i m u l a t i o nm o d e l i n gi se s t a b l i s h e di na d a m s v i e ws o f t w a r e t h ef u l lv e h i c l ei n c l u d e s r i g i db o d y , f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n , s t e e r i n gs y s t e m ，t i r e , r o a da n ds oo n i nt h er o a dt e s t ， v e h i c l ed o e st h es t e a d y s t a t ec i r c u l a rm o t i o no nt h el o m - l l mr a d i u sc o n c r e t eg r o u n dp l a n ea t t h r e ed i f f e r e n tv e l o c i t i e s ：1 5 ，2 0 ，2 5 k m h a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，t h er o l ls i m u l a t i o n m o d e li sa m e n d e dt om e e tt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t s w h e ns t u d y i n go nt h er o l l s t a b i l i t yo ft h el i q u i dl a n kv e h i c l eo ns t e a d y s t a t ec i r c u l a r m o t i o n ，t h el i q u i dc e n t e ro fm a s sm i g r a t i o ni sc o n s i d e r e d t h e ni nd i f f e r e n tc a r g of i l lc o n d i t i o n s ， s i m u l a t i o nc o m p a r i s o no ft h ev e h i c l e sc a r r y i n gt h es a m ea m o u n to fs o l i da n dl i q u i dc a r g oi s c a r r i e do n s i m u l a t i o no ft h ep r o g r a mr e s u l t so ft h el i q u i dt a n k e ra n t i r o l l o v e rf r a m ec a r r i a g e c o n t r o li sa n a l y s e d a tl a s tt h ea n t i - r o l l o v e ra l a r ms t r a t e g i e so ft h el i q u i dt a n k e ra r ea l s op u t f o r w a r d k e y w o r d s ：l i q u i dt a n kv e h i c l e ；a n t i - r o l l o v e r ；c a r r i a g ec o n t r o l ；a l a r ms t r a t e g y ；a d a m s w r i t t e nb y ：l i uj i n g ( v e h i c l ea p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y ：p r o f e s s o rm i ny o n g - j u n i n s t r u c t o ry a n gb i n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律结果由本人承担。 一躲勿j 奔 学位论文版权使用授权书 加产易月婚 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权南京林业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编 和综合为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 全部或部分内容。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 2 岬年多月。日 ) 唧年多月盯日 稀q ，a 剖h 致谢 衷心感谢导师闵永军教授和指导老师羊玢讲师在论文选题、研究和撰写的过程中所给 予的精心指导；感谢他们在我硕士学习过程中，在学习、生活上所给予我的帮助、指导和 教诲。不但教给我很多的具体的专业知识，而且教给我很多如何独立思考进行科研的方法， 甚至在如何写文章这些细节上也给予了悉心指导。两位指导老师的渊博知识、严谨的工作 态度、勤恳的钻研精神都给我留下了很深刻的印象。在论文的研究、撰写过程中还得到了 万茂松和陈宁副教授的指导，在此向他们表示我深深的谢意。 衷心感谢吕立亚老师、实验室各位实验老师、董淑量、孔祥伟、孙周、何海波等在我 做实车实验时提供的极大帮助。 衷心感谢我的同学陈烨、叶毅雯、李彩生等在我论文研究过程中提供的帮助和支持。 其中特别要感谢陈烨同学，他在建模方面给予了我很多指导。 衷心感谢同专业的各位学弟学妹对我的支持，在与他们一起学习和生活的日子里，不 但互相交流学习知识，而且一起分享了很多快乐。 衷心感谢我的父母在我的求学道路上给予我始终如一的支持和无微不至的关怀。在学 业完成之际，向一直含辛茹苦供我读书的父母表达我最深挚的谢意! 衷心感谢那些所有给予我帮助和快乐的亲人和朋友们! 刘静 2 0 0 9 年6 月 第一章绪论 随着我国道路交通运输的迅速发展，特别是高等级公路里程的增加，利用液罐车运输 液体货物所占的比例越来越大。因为液罐车车辆吨位一般较大，其上装部分质量占整车总 重比例很大，且在满载情况下上装部分重心相对较高，占整车的重心大为提高，车辆发生 侧翻的几率大大提高。另外，车辆装载量随着装载液体密度变化而变化，如果满载密度 较大的液体，车辆很可能超载。因此液罐车都是处于非满载状态，这样会导致液体在容罐 内晃动，将影响液罐车的侧倾稳定性。据美国公路交通安全局统计，在运输液体危险品的 全过程中，9 5 的泄漏事故是由于运输汽车的侧翻，且侧翻占罐式汽车事故的4 0 ，同时 易燃、易爆和剧毒油料泄漏引起的环境污染和道路交通阻塞所造成的损失很大啦! 。因此对 液罐车防侧翻研究具有现实意义。 下面首先介绍课题研究的目的及意义，然后介绍国内外在与本课题有关方面所做的研 究情况，最后确定本课题的主要研究内容。 1 1 课题研究目的和意义 公路运输具有点多、线长、面广、批量小、易组织、机动灵活并可实现“门到门 运 输服务和为其他运输方式提供衔接服务等特点，已成为了国内外液体危险品的主要运输方 式【3 】。另外，随着国民经济的快速发展，生产、生活现代化水平的不断提高，道路液体危 险品运输需求和运输量逐年增长。据统计，近年我国每年道路运输危险货物在2 亿吨左右， 3 0 0 0 多个品种，其中易燃易爆油品类达l 亿吨【4 】。在国外，1 9 8 6 年德国汽车的液体危险 品运输量占总运输量的1 2 ，近年来其运输量达到了2 亿t a 。在意大利，约有8 0 的液 体危险品通过公路运输，到2 0 1 0 年将有3 0 的增长【5 j 【6 j 。 液体危险品公路运输由于汽车运输行业的高风险性和易燃易爆剧毒液体自身潜在高 危险性，所以其事故时有发生。并且此类事故一旦发生危害性尤其严重，关系到广大人民 的生命和财产安全、环境、生态和社会安定等等。有人曾把液体危险品运输车形容为“流 动的炸弹。一辆2 0 吨的液体危险品罐式车相当于1 8 0 吨烈性炸药，一旦发生问题后果不 堪设想【_ 7 1 。2 0 0 8 年1 2 月3 0 日在陕西2 1 0 国道7 9 1 k m + 5 0 m 处发生一起油罐车侧翻燃烧事 故( 如图1 1 ) 。事故现场浓烟有1 0 米多高，引发了山火，也引燃了公路右侧山上一户村民 家存放的2 万多公斤玉米仓，随时有再次发生爆炸的可能【s 】。再如，2 0 0 9 年2 月1 日京 沪高速宝应段出口2 公里处3 辆大货车相撞起火，现场燃起4 0 多米高的浓烟遮天蔽日( 如 图1 2 1 ，其中化学品槽罐车上装载的2 7 吨苯燃烧殆尽【9 】。因此，如何尽可能的减小液体 危险品公路运输风险以及灾害损失，已被全社会关注，成为一个迫切需要重视的课题，也 引起汽车制造业和使用者以及相关部门的高度重视。国家技术监管局、公安部、交通部近 几年都先后数次下文，加强液体危险物品储运的管理。与此同时，作为液体危险品物流的 工具载运车辆，其本身的技术安全性能也日显其重要性，为此，加强加快液体危化品 公路运输车辆安全技术的研究日益迫切。 簿囊里 l 划1 1 陕矾2 1 0 国道事故脱场剖1 - 2 京沪高速宝府段市救现场 f i g l l t h e o f a c e l d e n t 。n2 1 0 n a t i o n a lr o a d i ns h a hx ip r o v i n c e f i gl - 2 t h es e r e o f a c c i d e m i n b a o y i n g p a r a g r a p ho r b 刨i n g s h a n 曲a i h i g h - s p e e d 我国牛产液罐车起步较晚，专业厂家较小。液罐车公路运输车辆所采用的底盘是普通 货车的二类底盘，其行车安全性能定 度上有所f 降。因为液罐车运输车辆是在普通货 车的二类底盘上加装圆柱或椭圆罐体、动力输出及备类象阀、进排料控制系统等改装而成。 这种圆柱体或椭圆罐体装载液体后，一方面，其重心位置与普通货车相比高了很多；另一 方面，圆柱体或椭圆罐体内的液体，在车辆转弯和为避免障碍物发生紧急转向时，液体质 心会发生偏移。这些都加剧了汽车侧倾，增加了不稳定因素，其侧倾稳定性低于相同类型 运输固体货物的汽车。从我国液罐车运输车辆的技术现状，发现传统的车辆动力学控制不 能满足液罐车侧倾稳定性要求；其次可以发现在轿车上安装汽车稳定性系统越来越普遍， 尤其在高档汽车e 得到更广泛的使用，但主要由于成本和原因，在货车上安装v d c 、e s p 等稳定性控制系统的却很少。 江苏省交通科学研究计划项目( 编号：0 6 c 0 3 ) “危化品车辆防侧翻何服控制及 报警装置”这一课题就是基于上面阐述的研究意义而提出的。该项目的主要目标是：遽过 对各种可能引起侧翻的因素进行分析，设计防侧翻控制装置，提高危化品运输车辆行车稳 定性能，防止危险事故发生；同时，设计报警装置，提醒驾驶员正确操纵车辆。实现上述 设计目标的基本方案是：为了防止危化品车辆发生颧4 翻，对车架姿态进行控制，控制可采 用主动悬架、用油缸顶有侧翻趋势一侧的弹簧、设置车架限位装置、增大有侧翻趋势一侧 弹簧的刚度和增大横向稳定杆刚度等形式“；设计电子报警装置，该装置能检测车速和转 弯( 转向盘转角) 信号，当车辆转向行驶时，根据车速、转向缓急程度和防侧翻报警策略， 当出现危险情况时，装置能够自动报警给驾驶员以提示。 本 台文结合“危化品车辆防侧翻伺服控制及报警装置”这课题进行，重点对液罐车 防侧翻的牟架姿态控制效果和报警策略进行了仿真分析，为液罐车防侧翻伺服控制系统和 报臀装置的设计、开发提供有力的理论依据打下曝实的基础。 12 国内外研究概况 上世纪九卜年代以来，为保持汽车的稳定性和路径跟踪能力，国内外一些大公司及高 校对车辆动力学控制做了大量研究，但都仪限于控制汽车的侧倾和横摆运动，井在乘用车 上得到运用。近年柬，货车和客车侧翻事故增多，减小车辆侧向加速度和侧倾角度、防止 2 汽车侧翻成为当今车辆动力学控制研究的热门课题。 汽车侧倾稳定性研究传统地采用侧翻试验台进行实际测试，采用的方法通常有三种： 第一种方法是s s f ( s t a t i cs t a b i l i t yf a c t o r ) 法静态稳定因子法，其原理是车辆质心高度 确定后，当重力作用线越过车辆低侧端轮胎与地面接触点( 线) 时，车辆会侧翻；第二种方 法是( s i d ep u l lr a t i o ) 法侧拉比例系数法，当车辆质心位置测定后，将一水平横向力作 用于车辆上并通过车辆质心，逐渐加大侧拉力，直至车辆对侧倾轮胎刚刚脱离地面为止。 第三种方法是t t r ( t i l t t a b l er a t i o ) 法侧倾比例系数法，车辆随侧倾试验台一起侧翻， 直至车辆高侧端轮胎脱离地面时为止【1 1 】- 【m 】。 上述几种侧翻试验方法虽然在测试过程中比理论计算公式考虑因素要全面，但完成试 验很困难，像侧拉试验方法可能损坏车辆。并且侧翻试验测试是要建立在车辆已经完全制 造出来，是对制造样机进行的试验。当通过这些试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再 用样机验证。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，无法缩短设计周期，不能适 应市场的灵活反应，增加了样机的单机制造成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品 按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背 景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市 场的占有n 5 1 。在传统设计制造方法弊端日显过程中，虚拟仿真技术已经发展成为当前设计 制造领域的一项新技术。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评 估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供依据，并可缩短设计周期、降低费用。 它已广泛应用于工程领域和非工程领域，尤其在汽车领域，已成为目前开发与研究的主要 手段，产生了巨大的经济和社会效益，越来越起着比实物试验更重要的作用。 虚拟仿真技术源于对多体系统动力学的研究。多体系统动力学包括多刚体系统动力学 和多柔体系统动力学，是研究多体系统( 一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动 规律的科学。它的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真，是 在经典力学基础上产生的新学科分支。目前多体系统动力学已形成了比较系统的研究方法 u 哪n 7 1 。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法，以牛顿欧拉 方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等n 引。基于拉格朗日方程编制 的a d a m s 软件在工程上应用最广泛，因此，拉格朗日方程的建立和求解在第二章详细 介绍。下面对其他多体系统动力学方法作简单介绍。旋量方法是一种特殊的矢量学方法， 简称为n e 方法，其特点是将矢量与矢量矩合为一体，采用旋量的概念，利用对偶数作 为数学工具，使n e 方程具有极其简明的表达形式，在开链和闭链空间机构的运动学和 动力学分析上得到广泛运用。罗伯森与维滕堡于1 9 6 6 年提出一种分析多刚体系统的普遍 方法，称为图论方法，它以十分优美的风格处理了树结构多刚体系统，但对于非树系统， 则要用绞切割或刚体分割方法转化为树系统处理【1 9 】。凯恩方法是在1 9 6 5 年左右形成的分 析复杂系统的一种方法，其利用广义速率代替广义坐标描述系统的运动，兼有矢量力学和 分析力学的特点，既适用完整系统，也适用于非完整系统。它的缺点是没有给出一个适合 于任何多刚体系统的普通形式的动力学方程，广义速率的选择也需要一定的经验和技巧。 变分方法有利于结合控制系统的优化进行综合分析，而且由于其不受绞的约束数目的影 响，适用于多个闭环的复杂系统【2 0 1 。基于上述多体系统动力学方法编制的程序诸如：m e s a v e r d e 、n e w e u l 等，应用甚少，发展不够完善。 虚拟仿真技术在汽车操纵稳定性分析中的运用也是越来越广泛。采用仿真软件可建立 整车悬架、转向系统的多体系统动力学模型，不仅能详细描述悬架、转向系统各部分零部 件及其连接关系，而且可考虑连接件的柔性及局部零件的柔性，使整车模型更真实地逼近 实车，且使仿真结果、性能分析、指标评价可直接反映到悬架、转向系统零部件的设计参 数上，能直接指定甚至参与设计过程中的结构参数的优化和改进 2 1 o 对模型可信性的研究， 主要采用以试验数据应用为基础的验模方法。利用试验数据，考查仿真结果中的误差是否 大到淹没其可用性的程度，从而可确定模型的有效性。 由于建模中，存在许多非线性环节，利用人工神经网络技术，结合试验数据进行建模， 可更好地模拟实际汽车；轮胎模型对仿真结果影响重大，由于轮胎具有非线性的特殊力学 特性，建模困难，采用人工神经网络建立的轮胎力学模型，以影响轮胎侧偏特性的侧偏角、 外倾角、垂直载荷、纵向力作为输入，输出轮胎侧向力和回正力矩，采用轮胎侧偏特性试 验的数据点作为学习样本的教师值，则学习终了后的模型，就可比较精确地反映轮胎侧偏 特性，从而在仿真中大大提高建模精度【2 2 】【2 3 1 。 文献【2 4 】运用d y m o l a - v e h i c l e 动力学仿真软件，通过对悬架相对位置和侧向加速度传 感器的分析，建立基于l a b v i e w 基础的车辆侧翻辨识系统，判断车辆侧翻情况。 何锋等利用美国密执安大学运输研究院( u m t r i ) 开发的静态侧倾模型( s r m ) 对汽车 侧倾过程进行计算机模拟分析【2 5 1 ，分析影响汽车侧倾的敏感系数。s r m 的数学表达式中， 通过反复求解1 0 个平衡方程，得到最大侧向加速度即是汽车侧翻门槛值。对汽车侧倾影 响最大的参数为：侧倾中心高度、簧载质量质心高度、车轮距和车轮垂直高度。s r m 是 较为简单精度略差的数学模型，其计算简便，且要求输入的参数较少，而得到广泛应用。 文献 2 6 运用可视化语言v i s u a lb a s i c 在w i n d o w sx p 操作环境下编程实现仿真评估。 通过多个算例表明，对于普通汽车，考虑悬架弹性但未考虑轮胎二次变形角的汽车最大静 侧翻角值一般比不考虑悬架弹性的汽车横向最大静侧翻角值小3 0 左右，产生的车身 相对侧倾角一般在5 0 以上；考虑轮胎二次变形角的汽车最大静侧翻角屈值一般比不考 虑轮胎二次变形角的。值小2 0 左右。 文献 2 7 根据对独立悬架和非独立悬架侧倾运动特性分析，结合采用已有的轮胎力学 模型，建立反映独立悬架和非独立悬架侧倾运动特性的双轴汽车在稳态转向时侧倾运动的 数学模型。 文献 2 8 】根据对文献 2 7 1 的分析与汽车侧倾试验台试验数据结果进行比较，证明数学 模型对汽车稳定性的预测能力，并对建立数学模型时所作的简化和假设、数学模型中存在 的不足之处以及进一步改进、应用和发展方向进行讨论。 文献 2 9 】建立了铰接车辆在转向时临界侧翻的数学模型，利用m a t l a b 软件对所建立的 模型进行仿真，验证其正确性。 文献 3 0 】利用多体理论建立了含钢板弹簧非独立悬架系统的整车动力学模型，将钢板 弹簧离散成多个t i m o s h e n k o 梁连接的柔性多体系统，使整车系统的自由度多达1 2 8 8 个， 在方向盘正弦输入下研究车辆的动力学性能。 文献1 3 1 在图形仿真及建模环境中利用递归分析技术，建立f o r dt a u r u s 实时的多体模 4 型，形成有连接、车体以及各受力部件等标准组件的模型。运用开式的树权系统模型，建 立完整的驾驶仿真，通过与实测数据的比较，验证汽车模型准确。 文献f 3 2 】通过车辆现场测试对计算模型进行验证和校核，采用包括过滤噪声、功率谱 密度分析、相关性分析等统计和数据处理方法来修正模型。同时在验证模型基础上基于反 求技术来确定包括材料参数、悬架系统的弹簧力和位移以及阻尼力和速度的非线性关系等 关键模型参数。 文献 3 3 建立三自由度车辆侧翻模型，进行车辆平面运动和侧倾运动的分析。通过对 车辆平面运动进行控制，可增强车辆的不足转向特性，减小车身的侧倾运动，改善车辆的 操纵稳定性。 文献 3 4 利用牛顿定理建立3 自由度线性汽车侧翻模型，考虑了汽车的侧向运动、横 摆运动以及侧倾运动，得到汽车侧翻系统的稳定条件为动态稳定因子d s f - l 。 文献 3 5 】基于为后轴分配较大的侧倾刚度可以改善轨迹跟踪能力和提高操纵稳定性 的理论，建立8 自由度汽车模型，应用前馈反馈策略，以控制横向载货转移在前、后轴上 的分配，以此进行车体侧倾的主动控制技术的研究。 文献 3 6 】提到，新出现的a r c 系统是在已有的a b s t c s 系统上，靠左右轮纵向力的 差动输入来实现侧倾的动力学控制。这种系统成本较低，已在若干载货汽车和拖挂列车上 应用。 文献f 3 7 】提到，采用半主动悬架系统可以改善汽车侧翻稳定性。将车辆非直线行驶下 产生的离心力引入到半主动悬架系统的控制中，通过调整左、右侧悬架减振器阻尼力的变 化，来减小左、右车轮与地面正压力的差别，同时也减小侧倾角，使汽车行驶动力学方面 处于稳定状态，从而避免汽车侧翻事故的发生。 文献 3 8 】提到，将左、右侧车轮与地面的正压力产生的差别引入到主动悬架系统控制 中，通过调整左、右侧悬架的作用力，减小左、右侧车轮与地面正压力之间的差别，使汽 车在行驶动力学方面处于稳定状态，从而避免汽车侧翻事故的发生。 文献 3 9 1 中在a d a m s c a r 下建立了前、后悬架都装有主动横向稳定杆的自由度虚拟 整车模型。采用模糊p i d 控制策略，在m a t l a b s i m u l a t i o n 环境中对车辆抗侧倾性能进 行了联合仿真，实现了p i d 控制过程中参数的在线整定。 1 3 课题主要研究内容 本论文结合江苏省交通科学研究计划项目“危化品车辆防侧翻伺服控制及报警装置 这一课题进行，主要研究内容如下： 1 考虑发生液体质心偏移的液罐车稳态转向时的侧倾数学模型，理论上分析影响液罐 车侧翻的因素。 2 选取东风牌底盘型号为e q l l 4 1 g 7 d j 的液罐车为参考车型，在多体动力学仿真软 件a d a m s v i e w 中建立车辆的侧倾仿真模型。建模所需的车辆参数主要由实验测取。 3 对建立的侧倾仿真模型进行验证。在a d a m s v i e w 环境下，使得仿真模型在于实 车试验相同的条件下运行，通过仿真与实车试验结果的比较，最终验证所建立的侧倾仿真 模型的精确性。 4 对获得的理想模型，重点研究了液罐车弯道行驶时液体质心发生偏移对车辆侧倾稳 定性的影响。最后对项目方案中提到的危化品车辆防侧翻车架姿态控制效果进行了仿真分 析，并且提出危化品车辆防侧翻的报警策略。 6 第二章车辆多体动力学理论基础 本文在对液罐车多体动力学仿真研究中采用了美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c 1 公司开发的机械系统动力学仿真软件a d a m s ，该软件是采用工程中最常用的多刚体系统 动力学理论中的拉格朗日方程建立系统的动力学方程。为了对a d a m s 软件的多刚体动 力学理论基础和求解方法有全面的了解，本章节首先介绍多刚体系统动力学基础理论，然 后概述了基于多体系统动力学的软件，并主要介绍了其中工程上使用最广泛的a d a m s 软件的特点及其在汽车领域的应用。 2 1 多刚体系统动力学基础理论 多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。多刚体系统动力学已经 形成了比较系统的研究方法。在这里我们重点介绍一下多刚体系统动力学中应用最广泛的 拉格朗日方程的建立与求解。 2 1 1 广义坐标的选择 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯性空间中的 一般运动时，可以用它的连体基的原点( 一般与质心重合) 确定位置，用连体基相对于惯性 基的方向余弦矩阵确定方位【柏1 。为了解析地描述方位，必须规定一组转动广义坐标表示 方向余弦矩阵。第一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转动广义坐标，但是变量太 多，同时要附加六个约束方程；第二种方法是用欧拉角或卡尔登角作为转动坐标，它的算 法规范，缺点是在逆向问题中存在奇点，在奇点位置附近数值计算容易出现困难；第三种 方法是用欧拉参数作为转动广义坐标，它的变量不太多，由方向余弦计算欧拉角时不存在 奇点【加】。a d a m s 程序用刚体f 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标， 即q ；= i x ，y ，z ，甲，秒，缈l7 ，q = k l r ，9 2 t ，qr 。 2 1 2 动力学方程的建- d r 采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程【4 1 】： 旦a r t 斛, a # ) 一l o t i r + 枷弘q 完整约束方程缈g ，f ) = 0 非完整约束方程秒q ，口，f ) = o 其中，丁系统动能； g 系统广义坐标列阵； q 广义力矩阵； 7 ( 2 一1 ) p 对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 2 1 3 动力学方程的求解 把( 2 1 ) 式写成更一般的形式： f ( q ，“，如，五，j = 0 c ( u ，尊) = u 一口= 0 【g ，f ) = 0 ( 2 2 ) 其中，口广义坐标列阵； c ，u 广义速度列阵； 旯约束反力及作用力列阵； f 系统动力学微分方程及用户定义的微分方程( 如用于控制的微分方程、 非完整约束方程) ； 描述约束的代数方程列阵。 如定义系统的状态矢量y = b7 ，“7 ，f ，式( 2 2 ) 可写成单一矩阵方程： g 抄，夕，f ) = 0 ( 2 - 3 ) 动力学方程( 2 2 ) 的方程个数多，不是常微分方程问题，因此不能直接采用常微分方程 算法去求解，可采用微分代数方程求解算法和坐标缩减的微分方程求解算法。 1 微分代数方程的求解算法 用g e a r 预估校正算法可以有效地求解式( 2 2 ) 所示的微分代数方程。首先， 根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值： = 只+ 鲁 + 刍挚“ ( 2 4 ) 其中，时间步长h = t n + 。- t 。 这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值如果满足式( 2 2 ) ，则可以不必进行校 正；如果不满足，可以由g e a r k + 1 阶积分求解程序( 或其他向后差分积分程序) 来校正。 七 y 。+ l = - h p o ) 。+ l + 口，y 。一，+ l ( 2 - 5 ) i = l 其中，儿+ i j ，( f ) 在t = t n + l 时的近似值； 风，q g e a r 积分程序的系数值。 整理式( 2 5 ) 得： 夕。+ = 赢p 。+ 。一善k 口，y 。一，+ 。 ( 2 - 6 ) 将式( 2 2 ) 在f = 乙+ l 时刻展开，得： f ( q 川，“川，矗川，以+ l t 州) = o g h ，一口n + l ：u n + i - - ( 赢卜。一静乳川) = 。 仁7 ， b 川，o 。) = 0 使用校j 下的n e w t o n r a p h s o n 程序求解上面的非线性方程，其迭代校正公式为： p 0 8 f q j + a 沁fa u j + c a 弧f a u j , + 0 8 f j = o q - o 向g 。，+ a g “，= 。 叩等妒。 其中，j 表示第j 次迭代。 由式( 2 - 6 ) 知： ( 2 - 8 ) q ，= g ，+ l g ，a u ，= “一l u j , a 1 = 乃+ l 一乃 ( 2 _ 9 ) 咄0 去卜 由式( 2 7 ) 知： 筹_ ( 去) ， 鼍= ， 将式( 2 1 0 ) 和( 2 - 11 ) 代a k ( 2 8 ) ，得： o f fo f 1o f1 百l 瓦一面瓦j 褂 j 。 式( 2 1 2 ) 左边的系数矩阵称系统的雅司比矩阵， 其中，娑系统刚度矩阵； 叼 娑系统阻尼矩阵； u u o o o 阱目 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 系统质量矩阵。 a 矗 通过分解系统雅可比矩阵，求解幻，a u j , 乃，计算出q j + l , “川，+ l ，q j + l , 打川，t + 1 ，重复上 述迭代校正步骤，直到满足收敛条件，最后是积分误差控制步骤。如果预估值与校正值的 差值小于规定的积分误差限，接受该解，进行下一时刻求解。否则拒绝该解，并减少积分 步长，重新进行预估校正过程。总之，微分一代数方程的求解算法是重复预估、校 正、进行误差控制的过程，直到求解时问达到规定的模拟时间。 2 坐标缩减的微分方程求解算法 采用坐标分离算法，将微分代数方程减缩成用独立广义坐标表示的纯微分方 程，然后用a b a m 程序进行数值积分。 坐标缩减微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行： ( 1 ) 坐标分离将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解，可将系统的广义坐标列阵 ri 、 g ) 分解成独立坐标列阵 g f 和非独立坐标列阵白d ，即国 = 乞 。 ( 2 ) 预估用a d a m s b a s h f o r t h 显示公式，根据独立坐标前几个时间步长的值，预 估f 。+ ，时刻的独立坐标值k f ，p 表示预估值。 ( 3 ) 校正用a d a m s m o u l t o n 隐式公式对上面的预估值，根据给定的收敛误差进行 校正，以得到独立坐标的校正值切 c ，c 表示校正值。 ( 4 ) 确定相关坐标确定独立坐标的校正值之后，可由相应公式计算出非独立坐标 和其他系统状态变量值。 ( 5 ) 积分误差控制与上面预估校正算法积分误差控制过程相同，如果预估值 与校正值的差值小于给定的积分误差值，接受该解，进行下一时刻的求解。否则减小积分 步长，重复第二步开始的预估步骤。 2 1 4 静力学、运动学和初始条件分析 1 静力学分析 对应于上面的动力学分析过程，在进行静力学、准静力学分析时，分别设速度、加 速度为零，则得到静力学方程： 鼢蚓， ( 2 - 1 3 ) 2 运动学分析 运动学分析研究零自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力，因此只需求解系 统的约束方程： ( g ，乙) = o ( 2 - 1 4 ) 1 0 vll， 翌o ，。_ 望却翌 任一时刻乙位置的确定，可由约束方程的n e w t o n - p a p h s o n 迭代求得： 剖，舻地乙) 其中，g = q 川一q j , 表示第次迭代。 ( 2 - 1 5 ) 乙时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到： 睁等 陋旧 ( 署弘= 一 拿+ 喜喜去埘，+ 昙( 著弘+ 若( 署h c 2 川， 乙时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗目方程得到： ( 8 - 霉- ) r t = m 孙时+ q 亿埘 3 初始条件分析 在进行动力学、静力学分析之前，进行初始条件分析，以便在初始系统模型中各物 体的坐标与各种运动学约束之间达成协调，这样可以保证系统满足所有的约束条件。初始 条件分析通过求解相应的位置、速度、加速度的目标函数的最小值得到。 ( 1 ) 对初始位置分析，定义相应的位置目标函数厶 厶= 去彬q ，- q 。，) + 刀， ( 2 - 1 9 ) 其中，刀系统总的广义坐标数； 删系统的约束方程数； i ，斧分别是约束方程及对应的拉氏乘子； 用户设定的准确的或近似的初始坐标值或程序设定的缺省坐标值； 形对应孙的加权系数。如果用户指定的g 。，是准确坐标值，彬取大值； 如果用户指定的q 。，是近似坐标值，彬取小值；如果是程序设定的 坐标值，则彬取零值。 厶取最小值，则由鬻= o ，参= o 得： 她飞f ) + 善刀，等一t - z 川川2 ，聊 i西，= 0 对应的函数形式：z ( g 。，刀，) = o ，g ( g 。) = o k = l ，2 ，z ；，= l ，2 ，肌 其n e w t o n p a p h s o n 迭代公式为： h 窆k = l 兰j = l 刀，毪k t ， t i 、 u 鼍 喜杀七= 1u 吁七 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 麓) p = 一彬g 驴一：麦亍巾等l ， c 2 2 2 ， 其中，p = 胪l - q 却；斧，p = 斧，l 一斧仲，下标p 表示第p 次迭代。 ( 2 ) 对初始速度分析，定义相应的速度目标函数厶 厶= 三耖瓴嘞 彰鲁 弘2 3 ， f = i，= l “ 其中，q o , 用户设定的准确的或近似的初始速度值或程序设定的缺省速度值； 彬对应口。，的加权系数； 百d o j = 窆k = l q k 。+ 等= 。一速度约束方程； 乃对应速度约束方程的拉氏乘子。 厶取最j 、值则由象_ o 象0 得：o q io i 筏嘶：裂苹乃黔。幺川一幺册 象= 喜( 鼍卜等= 。 一产一刀。1 产川玎 p 2 4 ， 写成矩阵形式为： ， 吃 生 台。 笔i=：哌qokzt=-，：，z；，=，：，朋嚏c：一：z!；， 1 2 竺电o 。一 生电o 。爿 上式是关于玩，z j 的线性方程，系数矩阵只与位置有关，且非零项已经分解( 见式 ( 2 2 2 ) ) ，因此，可以直接求解g ：，形。 ( 3 ) 对初始加速度、初始拉氏乘子的分析，可直接由系统动力学方程和系统约束方程 的两阶导数确定。 将矩阵形式的动力学方程( 2 1 ) 写成分量形式： 铲降+ 喜氡黔+ 争旦a q , f ，t , 竺o t j 氰差卜) 将其写成矩阵形式为： e m 腩瓴) 七= l 竺 台向。 ：髦 = = 碧 ，= = - ，2 ，t ；，= = ，2 ，刀嚏c 2 - 2 7 ， 上式中的非零项已经分解，见式( 2 - 2 2 ) 乘1 ( 2 - 2 5 ) ，因此，可以求解坑和乃。 2 。2 多体系统动力学的软件概述 在机械系统仿真m s s ( m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) 领域，基于多体系统动力学理论 开发的仿真分析软件数量繁多。所谓m s s 技术，即把分散的零部件设计和分析技术糅合在 一起，以提供一个全面了解产品性能的方法，并通过仿真分析中的反馈信息指导设计【4 2 】。 1 9 6 0 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件- - d y a n a ( d y n a m i ca n a l y z e r ) ， 该软件主要是解决多自由度、无约束的机械系统动力学问题。1 9 6 4 年，i b m 公司为汽车 工业研制了运动学分析软件k a m ( k i n e m a t i ca n a l y s i sm e t h o d ) ，该软件采用了m a c h a n c e 矢量代数方法，对运动链单自由度机械进行位置、速度、加速度分析。随着多刚体动力学 的诞生和发展，1 9 7 2 年，美国的w i s t o n s i m 大学的j j u i c k e r 等人研究出了a d a m s 机械 系统的自动动力学分析软件，它能分析两维、三维、开环和闭环机构的运动学、动力学问 题，侧重于解决复杂系统的动力学问题。1 9 7 7 年，美国i o w a 大学的c a d 中心在e j h a u y 教授的引导下，研制了d a d s ( d y n a m i c a n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 。目前，世界上约有 十多种基于不同方法的多体动力学分析软件。被全世界各行各业的数百家主要制造商采 用，目前世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件是美国m d i 公司开发的a d a m s 软件。下面就具体介绍a d a m s 软件及其运用基础。 1 3 g 驯 力 =