【摘要】：公路液罐車是最廣泛的液體危險(xiǎn)品運(yùn)輸工具,但由于重心高、液體晃動(dòng)大且強(qiáng)非線性、液體晃動(dòng)與車輛運(yùn)動(dòng)耦合等特點(diǎn),易導(dǎo)致側(cè)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(chǎn)生更大的危害和損失。目前的研究大多數(shù)采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式改進(jìn)液罐車的穩(wěn)定性,并集中于討論結(jié)構(gòu)、充液比等變量對液體晃動(dòng)和液罐車動(dòng)力學(xué)特性的影響,但對車-液耦合動(dòng)力機(jī)制、液體晃動(dòng)對車輛失穩(wěn)的貢獻(xiàn)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(jìn)行準(zhǔn)確有效的主動(dòng)安全控制的前提。同時(shí),針對液罐車輛特點(diǎn)的主動(dòng)防側(cè)翻控制的研究還很少,因此,液罐車輛應(yīng)該考慮哪些特性、采用何種方法進(jìn)行防側(cè)翻控制,如何降低誤警率、提高防側(cè)翻控制效果,也是急需探索的。本文依托于國家自然科學(xué)基金“公路液罐車液固耦合機(jī)理與防側(cè)翻控制研究”(編號(hào):51575224)、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“基于電控制動(dòng)系統(tǒng)的重型商用車穩(wěn)定性控制”(編號(hào):20170414045GH)和“重型車輛電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)與匹配”(編號(hào):20150204066GX),在調(diào)研國內(nèi)外液罐車輛動(dòng)力學(xué)特性和主動(dòng)安全控制方法的研究成果的基礎(chǔ)上,針對液罐車輛車-液耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)理不清和整車側(cè)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(dòng)的特點(diǎn),重點(diǎn)研究車-液耦合動(dòng)力機(jī)制,提出合理的液罐車內(nèi)液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型的簡化依據(jù),據(jù)此建立能夠合理表征實(shí)際工況下液罐車內(nèi)液體特性及對車輛影響的液體非線性晃動(dòng)等效力學(xué)模型,并開發(fā)了考慮液體晃動(dòng)特點(diǎn)的液罐車主動(dòng)防側(cè)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(xì)模型的建立及車-液耦合動(dòng)力學(xué)特性的分析針對液罐車車-液耦合動(dòng)力學(xué)特性不明,導(dǎo)致液罐車動(dòng)力學(xué)建模缺乏理論指導(dǎo)的問題,在液體晃動(dòng)特性及其對車輛響應(yīng)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(dòng)力學(xué)特性,基于FLUENT軟件建立液體晃動(dòng)數(shù)值模型,基于TruckSim軟件建立車輛動(dòng)力學(xué)模型,通過創(chuàng)建FLUENT與Truck Sim時(shí)序信息雙向傳遞平臺(tái)建立了液罐車雙向耦合精細(xì)模型。在此基礎(chǔ)上,通過對比剛體貨物車輛模型、基于準(zhǔn)靜態(tài)液體的液罐車模型、基于液體晃動(dòng)等效單擺模型的液罐車模型,與本文液罐車雙向耦合精細(xì)模型仿真結(jié)果的差異,討論實(shí)際道路工況下,各種液體晃動(dòng)響應(yīng)成分被激發(fā)的程度及其對車輛響應(yīng)的貢獻(xiàn),即車-液動(dòng)力學(xué)耦合程度,為建立液罐車內(nèi)液體等效力學(xué)模型提供指導(dǎo)意見。(2)液罐車內(nèi)液體非線性等效力學(xué)模型的建立根據(jù)基于液罐車雙向耦合精細(xì)模型的車-液耦合動(dòng)力學(xué)特性分析的結(jié)論,對操穩(wěn)工況下液體的側(cè)向晃動(dòng),應(yīng)考慮隨著工況劇烈程度增大,液體晃動(dòng)頻率增大、沖擊力放大系數(shù)降低,為此建立了液體側(cè)向非線性晃動(dòng)橢圓擺等效模型;對制動(dòng)工況下液體的縱向晃動(dòng),由于液罐車罐體內(nèi)普遍裝有開孔橫隔板,應(yīng)考慮主頻晃動(dòng),且基頻頻率隨工況劇烈程度而改變,以及開孔橫隔板導(dǎo)致的腔室間液體流動(dòng)及其阻尼效應(yīng),為此建立了液體縱向非線性晃動(dòng)橢圓擺等效模型,并類比管道流動(dòng),分析了腔室間質(zhì)量流量與孔/板面積比、孔的位置函數(shù)、外部加速度激勵(lì)的關(guān)系,進(jìn)而建立了開孔隔板多腔罐體的液體縱向非線性晃動(dòng)等效力學(xué)模型,并采用遺傳算法辨識(shí)了縱向橢圓擺等效模型參數(shù)、腔室間質(zhì)量轉(zhuǎn)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(jì)算和合理的液體晃動(dòng)模型基礎(chǔ)。(3)液罐車側(cè)傾動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析結(jié)合罐內(nèi)液體側(cè)向非線性晃動(dòng)橢圓擺等效模型,和考慮車輪抬起的車輛側(cè)傾動(dòng)力學(xué),建立液罐車側(cè)傾動(dòng)力學(xué)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(cè)向加速度等對液罐車側(cè)傾動(dòng)力學(xué)特性的影響進(jìn)行分析,深入理解車體側(cè)傾-液體晃動(dòng)耦合的內(nèi)在機(jī)理,明確液罐車側(cè)傾運(yùn)動(dòng)軌跡主要特性和原因,為液罐車防側(cè)翻控制提供理論指導(dǎo)。(4)液罐車橫擺-抑晃-防側(cè)翻集成控制策略的開發(fā)針對液體晃動(dòng)導(dǎo)致液罐車響應(yīng)波動(dòng)且易側(cè)翻的特點(diǎn),綜合考慮液罐車的液體晃動(dòng)抑制、橫擺穩(wěn)定性和側(cè)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(cè)翻集成控制策略。對于車輛操縱不太穩(wěn)定,但尚未進(jìn)入側(cè)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(cè)偏和液體的等效擺角跟隨期望值為控制目標(biāo)的LQR橫擺抑晃控制方法,推遲進(jìn)入防側(cè)翻控制的時(shí)機(jī);針對臨近側(cè)翻的危險(xiǎn)工況,開發(fā)了以盡量減少液罐車橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR為控制目標(biāo)的LQR輸出最優(yōu)防側(cè)翻控制方法;為了動(dòng)態(tài)區(qū)分側(cè)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(dòng)的側(cè)翻預(yù)警時(shí)間TTR預(yù)警算法,并以TTR為切換指標(biāo),進(jìn)行橫擺抑晃控制模式和防側(cè)翻控制模式的切換。(5)縮比液罐實(shí)車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和實(shí)車場地實(shí)驗(yàn)根據(jù)相似性原理對原型液罐進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)可視化觀察和總體晃動(dòng)力測量的縮比液罐測試臺(tái)架,通過改裝得到縮比實(shí)驗(yàn)液罐車;最后,通過實(shí)車實(shí)驗(yàn),對本文液體數(shù)值模型和液罐車雙向耦合模型進(jìn)行了驗(yàn)證,并對液罐車的車-液耦合動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文的研究創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(1)探明了車-液耦合動(dòng)力學(xué)的主要特征。針對液罐車車-液耦合動(dòng)力學(xué)特性不明的問題,首次基于液罐車雙向耦合精細(xì)模型分析了各種液體晃動(dòng)成分被激發(fā)的程度及其對車輛響應(yīng)的影響,明確了液罐車建模中必須考慮液體晃動(dòng)頻率和沖擊放大效應(yīng)隨工況變化的特性,及縱向晃動(dòng)時(shí)腔室間液體流動(dòng)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(cè)向非線性晃動(dòng)等效力學(xué)模型。針對現(xiàn)有罐車內(nèi)液體等效模型不能合理反映液罐車動(dòng)力學(xué)特性的問題,通過縱向/側(cè)向橢圓擺等效模型描述液體晃動(dòng)頻率和沖擊放大效應(yīng)隨工況變化的特性,通過腔室間質(zhì)量流量模型描述有孔隔板導(dǎo)致的腔室間質(zhì)量轉(zhuǎn)移和阻尼效應(yīng)。(3)開發(fā)了液罐車橫擺-抑晃-防側(cè)翻集成控制策略。針對液體晃動(dòng)導(dǎo)致液罐車響應(yīng)波動(dòng)且易側(cè)翻的特性,綜合考慮液罐車的液體晃動(dòng)抑制、橫擺穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性控制,并采用考慮液體晃動(dòng)的TTR側(cè)翻預(yù)警時(shí)間作為防側(cè)翻控制模式的觸發(fā)指標(biāo),區(qū)分工況緊急程度,降低誤警率,提高控制效果。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U469.61
【圖文】：

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

動(dòng)力學(xué)、民用工程等領(lǐng)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(huì)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(nèi)液體晃動(dòng)特性研體沖擊特性研究最為深入、成果最多的當(dāng)屬 NASA。1966 年，NAS體內(nèi)的大幅度非線性液體側(cè)向沖擊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)過程中著同外界激勵(lì)下的自旋問題。大 Concordia 大學(xué)的 CONCAVE 中心對水平柱形液罐內(nèi)的液體晃動(dòng)的研究。建立了如圖 1.2 所示的縮比液罐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用數(shù)值模擬和縮方式，對縱向、側(cè)向，以及縱-側(cè)向聯(lián)合激勵(lì)下，液體晃動(dòng)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(lì)大小、聯(lián)動(dòng)的影響[7][8][9][10][11]。

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文墨西哥運(yùn)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(dòng)沖擊時(shí)的縱向液體晃動(dòng)進(jìn)行了實(shí)罐運(yùn)動(dòng)到邊界位置時(shí)利用擋板擋住液罐模擬瞬時(shí)沖擊，分析了橫隔板個(gè)數(shù)和形液比對液體縱向晃動(dòng)的影響。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2749142