液罐车液摆转向机械液体侧向晃动模型

液罐车液摆转向机械液体侧向晃动模型

0罐内液体摆动规律研究目前，重型液体罐车仍然是运输石油、化工和其他液体货物的重要工具。然而，它不仅具有显著的经济效益，而且带来了更多的交通事故。由于液体晃动与车辆动力学相互耦合,液罐车在转向、紧急制动等工况下的稳定性极限除与车辆整体结构布局、悬架、轮胎、质心位置、悬挂与非悬挂质量分布等自身设计参数有关外,还与罐内液体的晃动情况有密切关系通过液体晃动模型来分析罐内液体晃动规律是研究液罐车动力学性能的重要途径,在这方面国内外相关学者提出了准静态液动模型、等效机械模型和计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)模型等多种晃动模型。准静态液动模型是一种预测和估计液体稳态晃动力、力矩、转动惯量和质心位置的简单分析模型,可以方便地预测液罐车稳态转向时的侧翻极限和转向稳定性,但不能预测液体的瞬态晃动力、力矩、转动惯量和质心位置等效机械液体晃动模型可以方便实现与车辆动力学的集成一体化建模,而高精度的液体晃动模型是深入分析液罐车整车动力学的前提。对椭圆形截面罐体而言,TP模型是一种有力的等效机械晃动模型,与车辆动力学模型集成方便,但是在高充液比等工况下预测精度较低。针对这一问题,本文提出广义多质量TP模型的改进思路,重点研究其最简形式即双质量椭圆规摆(DoubleMassTrammelPendulum,DMTP)模型,旨在通过合理分配各部分晃动液体的质量及其间距来提高模型的预测精度。1充液比对液体摆动力的影响以半挂液罐汽车列车为例,椭圆形截面罐体的TP等效机械液体侧向晃动模型在液罐车上的应用原理见图1。椭圆形截面罐体的TP等效机械液体侧向晃动模型见图2在该模型中,液体分为相对罐体晃动的部分和相对静止的部分,晃动部分的运动等效为椭圆规摆的摆动,摆的质量等于晃动液体的质量m式中:Δ为罐体横截面椭圆率,即椭圆长、短轴之比,用来描述椭圆截面形状。a式中:Π为充液高度比;m将TP模型产生的晃动力矩与CFD方法计算的结果进行比较,以此评价TP模型的模拟精度。CFD液体晃动力矩通过FLUENT计算获得,运用流体体积函数(VolumeofFluid,VOF)技术追踪液面,液体晃动力对罐体最低点的力矩为晃动力矩,通过对液体施加加速度激励得到,即式中:u基于TP模型与CFD方法计算液体晃动力矩时的参数条件相同,假设液体介质为水,考虑充液比(体积比)Ω分别为30%、50%、80%,当Δ分别为1.0、1.6,f分别为0.2、0.4Hz时,各充液比情况下的晃动力矩时域响应与CFD晃动云图见图3~8,可知:在Δ=1.0和f=0.2Hz的工况下,由TP模型得到的晃动力矩总体偏小,并且随着充液比的增加精度变差;罐体截面在Δ=1.6和f=0.4Hz的工况下,液体晃动呈强非线性特性,在高充液比时的精度仍然较差;罐体截面椭圆率和响应频率增加后,TP模型的晃动力矩响应出现明显的相位误差。TP模型的预测精度与其拟合原理有很大关系,在拟合中假设液体在小倾斜角度初始状态下自由晃动,根据不同充液比和罐体截面椭圆率工况下的固有晃动频率确定摆臂a2tp是一种广义和多质量的模型2.1健全的模型模型由TP模型的原理和参数公式可知,晃动液体的质量是影响TP模型精度的一个重要因素。为较好地适应实际运输中不同罐体截面形状和复杂充液工况的影响,本文提出用多质量液摆取代单质量液摆的多质量TP模型,即通过合理分配各液摆的质量和摆间距来更好地适应罐体截面形状和充液比的变化,以提高复杂运输工况下模型的模拟精度。图9为广义多质量TP模型,将液体质量分为n份,每份代表1个液摆,质量分别为m2.2广义多质量tp模型动力学方程基于Lagrange方法推导广义多质量TP模型的动力学方程,广义多质量TP模型坐标系与运动学关系见图10,其中:质量m式中:第k个液摆到m质量m速度矢量系统动能T为式中:v系统势能Q为定义Lagrange函数η为将液摆摆角θ作为唯一的广义坐标,求解Lagrange方程可得广义多质量TP模型的动力学方程为式中:Λ3模型的d-3.1模型的动态方程为mts在广义多质量TP模型中,令液摆数n=2,则广义多质量TP模型即为DMTP模型。根据式(14)可得DMTP模型的动力学方程为b3.2dmtp模型参数的拟合鉴于按自由晃动进行TP模型拟合有较大的局限性,本文对液体施加加速度激励,以模拟液罐车转向时的离心力,使液体在外界激励下晃动,基于CFD仿真获取晃动力矩的拟合数据进行DMTP模型各参数的拟合。假设罐体截面面积为1.03πm式中:F则基于CFD方法的液体晃动力矩M式中:u3.2.1tp模型的原理晃动液体的摆臂通过CFD仿真液体的质心位置变化来获得,通过各液体单元的几何平均来计算液体的质心位置,其x、y坐标分别为式中:x在1次仿真中获得液体各时刻的质心位置,通过拟合获得液体质心椭圆运动轨迹,进而得到TP模型晃动轨迹的短半轴长度,即液摆的摆臂bb3.2.2振动液体质量调整晃动液体的质量m式中:F通过Fm3.2.3液体萃取的质量比和距离的调整对每组给定的罐体截面椭圆率和充液高度比,L同理,可得液摆质量比ΛL4不同充液比下tp模型的响应特性通过加速度激励下的晃动力矩响应比较,对TP模型和DMTP模型的预测精度进行评价。以同等工况下CFD仿真所得晃动力矩响应作为参考,2种模型的晃动力矩响应均与之比较。分别取1.0、1.3、1.6这3种罐体截面椭圆率和30%、50%、80%这3种充液比,采用式(5)给出的加速度激励,幅值A在其他条件不变的情况下提高激励频率,当f=0.3Hz时,相应工况下的晃动力矩对比见图19~21,各晃动力矩的预测均方根误差对比见图22,可知:在激励频率为0.3Hz的情况下,TP模型的主要问题还是高充液比时精度较差;DMTP模型在各种罐体截面椭圆率和充液比下都表现出较高的预测精度且稳定可靠,与TP模型相比,其优势很明显。5罐体截面椭圆率和充液比对dmtp(1)为弥补TP模型在充液比较高时预测误差较大的不足,提出了广义多质量TP模型的改进方案,将晃动液体的质量分为多个部分,通过合理分配各部分的质量及其间距来适应罐体截面椭圆率和充液比的变化。(2)重点研究了双质量椭圆规摆模型DMTP,分析结果表明:在0.2、0.3Hz激励频率下,DM