半掛式液罐車罐內液體晃動及其對整車側翻穩定性影響研究現狀

賈心紅，張竹林，蔣德飛

半掛式液罐車罐內液體晃動及其對整車側翻穩定性影響研究現狀

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、經濟成本低的特點，逐步成為我國液體貨物道路運輸的主力。車輛運行過程中罐內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定性，使液罐車易發生橫擺、側翻等問題。文章主要對罐內液體晃動的常見研究方法及液體晃動對側翻穩定性影響進行總結分析，為研究半掛式液罐車側翻穩定性提供一定的理論基礎。

半掛式液罐車；液體晃動；側翻穩定性

引言

半掛式液罐車載重大、質心高且罐體內液體容易晃動，在某些外界激勵下非常容易發生側翻，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生側翻的原因非常復雜，一般情況下，半掛式液罐車的罐體處于非滿載狀態，相比于裝載剛體貨物的半掛車輛而言，即使是在常規的制動、轉向等正常行駛過程中，罐內液體發生晃動，使得車輛的側翻幾率也遠高于裝載等質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翻穩定性的影響是十分有必要的。

1 罐內液體晃動研究現狀

液罐車充液系統是同時包括氣相和液相的復雜力學系統，因此對充液系統的動力學模擬分析異常困難。尤其針對罐內液體部分裝載時，液罐內會出現自由液面，這極大地增加了分析的難度。罐內液體晃動研究目前多采用準靜態液體模型方法、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 準靜態液體模型方法

靜態液體模型（QS模型）基于液體靜力平衡微分方程，估算每一時刻罐內液體傾斜度，通過計算瞬時液體質心位置，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，其優勢是計算速度快，但該模型局限于形狀規則罐體，且預測液體晃動達到穩態時的動力學響應，無法反應液體的動態變化和晃動過程。文獻[1]將轉向行駛的液罐車罐內液面晃動視為準靜態變化過程，建立準靜態液體模型，分析液體晃動對液罐車的側傾穩定性的影響。文獻[2]建立了非滿載橢圓形罐體準靜態液體模型，并與FLUENT瞬時沖擊仿真結果對比得出：FLUENT仿真得到液體瞬時沖擊的作用力和質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液體晃動，將流體動力學問題轉化為機械運動問題。常見的機械等效力學模型有單擺模型、彈簧－質量模型、橢圓規鐘擺模型等。

文獻[3]等通過建立液罐車等效晃動動力學單擺模型，對比等質量的固體貨物的運動狀態，驗證液體晃動降低整車側傾穩定性。文獻[4]等基于液體晃動與車輛運動的耦合關系，建立罐體內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，影響液罐車行駛穩定性的主要因素是轉載液體質量與罐車整體質量的比值，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化辨識，即運用CFD軟件分析橢圓形截面貯罐內液體晃動，后通過MATLAB軟件對數值仿真結果進行擬合，實現等效力學模型參數化，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則罐體罐內液體晃動常用的方法。我們不難發現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，該模型參數來源于線性晃動理論或實驗結果，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。

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液體小幅晃動，而CFD可用于求解罐內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，具有明顯優勢，尤其隨著計算機的快速發展，建立ANSYS液體仿真模型，已成為目前研究罐內液體晃動常用方法。罐內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，分析罐內液體晃動對液罐車橫向穩定性的影響。不難發現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]。

根據上述分析，可知半掛式液罐車罐內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方法或等效力學模型方法來建立罐內液體晃動模型，然后再與流體仿真軟件進行對比驗證。雖然節省部分人力物力，但是研究結果的精確性不能保證，尤其是液體的非線性晃動部分。對罐內液體晃動的研究要注重流固耦合機理研究，重點關注液體非線性晃動，建立流固耦合動力學模型是關鍵。

2 液罐車液體晃動對側翻穩定性影響研究現狀

半掛式液罐車由于載重大、質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生擺振、側滑、側翻，研究其側翻穩定性是非常必要的。基于液罐車罐體的形狀結構、內置防波板數量及結構、罐體充液比，車輛行駛工況等分析車輛側傾穩定性，目前這類研究較多，通過對液罐結構優化，改善車輛的操縱穩定性。

文獻[13]研究了液體晃動線性激勵下的整車側翻穩定性，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，具有較好的側傾穩定性；文獻[14]分析計算變截面液罐車的側傾穩定性，在一定范圍內，液罐的變截面高度差越大，車輛質心越低，越有利于車輛的側傾穩定性。文獻[15]優化了考慮罐內液體質心變化的車輛三自由度模型，通過仿真得到轉向工況下，車輛行駛速度與前輪轉角之間的臨界曲線，低于臨界曲線時，車輛橫向載荷轉移率低，側傾穩定性較好。

除了罐車罐體結構優化，防側翻主動控制技術也是提升車輛側翻穩定性的重要研究方向。在車輛的主動防側翻控制方面，目前主要有主動懸架、主動轉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生附加橫擺力矩，減小車輛側傾加速度，降低車速，避免車輛側翻。文獻[16]基于差動制動，設計了一種多模型、切換和調整的自適應控制器，來防止車輛的側翻，并通過受控和非受控車輛對比驗證了此控制器的性能優勢。文獻[8]等分析了液罐車在轉向或換道時，車－液耦合動態響應對整車穩定性影響，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、側傾角和側向加速度，提高了液罐車行駛穩定性。

半掛式液罐車行駛工況復雜，其側傾穩定性受多重因素影響。目前大多數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傾穩定性，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。半掛式液罐車側傾穩定性問題，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，協同研究，全面提高液罐車的側傾穩定性。

３ 結語

半掛式液罐車罐體內液晃動非常復雜，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液體晃動四種常見方法——準靜態液體模型方法、機械等效力學模型方法、液體晃動動力學模型方法和實驗/仿真法的優勢和不足，便于根據不同的研究需求選擇相應的方法。在液罐車臨近側翻的一定范圍內，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、較穩定工況中可采用一階單擺模型模擬液體晃動[17]。不難發現，研究過程中罐車內液體的非線性晃動模擬精確度相對較差，液體也通常看作是理想的流體，忽略了粘性液體阻尼作用對車輛晃動和側傾穩定性的影響。

考慮罐內液體晃動的液罐車防側翻控制策略研究已經成為安全領域研究的熱門話題。大多研究往往基于單一的側向動力學建模來研究液罐車側翻穩定性。非滿載液罐車罐內液體晃動規律非常復雜，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向制動或轉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

A

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