基于ADAMS的某液罐车行驶安全性分析

谢忠辉

东莞市永强汽车有限公司 广东东莞 523400

1 前言

液罐车是运输或临时保存石油化工、农业、食品等行业生产的液态货物的专用车辆，随着工农业的发展，其在物流业中的应用越来越广泛。当运载易燃、易爆、有毒等液态货物时，车辆紧急制动、急转弯、大侧倾等危险工况下的安全性值得分析与研究。

对液罐车行驶过程中的安全性问题，王占岐等在1990年时就对液罐车的制动稳定性进行了研究[1]，之后张建文对液罐车在转弯制动工况下行驶稳定性和横摆角速度规律进行了研究[2]；陈铭年等分析了车辆急转弯工况条件下车辆稳定性[3]；司景萍等对非满载液罐车在转弯行驶、侧坡行驶等工况下罐内液体质心位置以及整车的横向稳定性进行了分析[4]；于向阳对液罐车在随机道路激励条件下车辆的疲劳安全性进行了分析[5]。

正因为液罐车在危险工况下安全性极其重要，且常规分析方法较难对具体车型进行全面分析，本文针对某液罐车应用ADAMS建立的多体系统动力学模型，分析液罐车常规行驶的制动、越野道路随机激励、蛇行试验的行驶安全性。

2 液罐车的整车多体系统动力学建模

2.1 液罐车的结构组成

液罐车主要由底盘、罐体、防护装置、管道系统、人孔、行走系统、灭火器、支撑装置、副车架及扶梯等组成，如图1所示。罐体及附件通过螺栓或者其他连接方式与底盘连接，底盘对上装的作用力与罐体内部应力综合对车辆的稳定性有决定性的影响。

在多刚体系统动力学仿真软件ADAMS/car中以整车前桥中心为原点建立仿真模型，主要参数如表1所示。

图1 液罐车结构图

表1 液罐车基本参数表

其中动力总成、载液罐、罐内液体及其他负载装置使用点质量进行等效。

2.2 轮胎模型

本文采用魔术公式来描述非线性的轮胎附着特性。魔术公式是通过三角函数的组合，并基于大量试验数据来模拟轮胎非线性特性的，由于拟合参数较多，模型结构复杂计算量大，但可以获得较高的拟合精度[6]。魔术公式的基本形式及其参数配置如下式所示：

式中，y(x)可以是侧向力，也可以是回正力矩或者纵向力，自变量x可以在不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率；Y为轮胎纵向力或横向力；X为轮胎的纵向滑移率或横向滑移率；B为魔术轮胎公式的刚度系数；C为形状系数；D为峰值系数；E为曲率系数；SH为曲线的水平方向漂移；Sy为曲线的垂直方向漂移。

2.3 悬架系统建模

本文采用ADAMS/Chasis中的leafspring模块中钢板弹簧多体模型，根据悬架系统刚度参数与几何参数建立钢板弹簧多体模型和悬架总成的模型如图2所示。

图2 钢板弹簧悬架模型

3 液罐车制动性能仿真分析

根据GB 7258要求，液罐车的制动的初速度为30 km/h。模型中车辆采用开环控制，车辆以30 km/h的速度匀速运动，从3.0 s开始，制动踏板力线性地从0到700 N（最大制动踏板力）。很短时间内，由于紧急制动使轮胎发生变形，制动加速度上升到lg，如图3所示。

图3 制动模拟

由制动仿真输出曲线图4～6可见，车辆在3.0 s时开始制动，3.1 s左右时间制动器间隙消除。

3.1～3.6 s制动减速度急剧增加，由于路面附着力限制，制动减速度在3.6 s时增长到最大值，之后由于车辆的惯性作用达到平均制动减速度约0.5g。

3.0 s至液罐车停止时，制动距离为7.5 m，最大制动减速度为0.8g，符合GB 7258强制要求。

图4 制动减速度随时间变化

图5 速度随时间变化

图6 位移随时间变化

4 越野道路上行驶平顺性能分析

在某些特殊条件下，车辆需通过非铺装道路，本车以20 km/h的车速通过D级道路时的路面谱来进行分析，路面不平度曲线如图7所示。

图7 越野路路面不平度曲线

以越野路面不平度曲线为样本对整车进行随机激励，得到整车的随机响应特性曲线，再对时域响应特性曲线进行FFT（快速傅里叶变换）转换为加速度功率谱密度曲线，载液罐的三轴向PSD谱线如图8所示。

可见，在7～8 Hz时z轴线方向上有加速度功率谱为0.7 g2/Hz，为车轮共振频率段，在5～10 Hz范围内输出能量均较大，在垂直方向上需对载液罐进行隔振处理；在y轴方向上20 Hz时有一个较大的峰值，是由整车的侧倾所造成。

5 液罐车的蛇行试验分析

图8 载液罐的功率谱特性曲线

根据GB/T 6323.1-2014《汽车操纵稳定性试验方法蛇行试验要求》，以50 km/h的行驶车速，以方向盘转角随时间变化曲线为正弦信号输入对液罐车整车进行蛇形试验，考虑侧向行驶过程中液体侧向冲击对行驶稳定性能影响较大，本文采用文献[7]中卜凯的方法，先在fluent中计算得到的液体冲击力和液体质心位移，再将液体冲击力加载在载液罐壁面上，质心位移以ADAMS中step函数的形式与液罐车的液体位置相关联，即可得到液罐车质心侧偏角以及车身侧倾角速度在有无液体冲击的时域曲线图。

由图9可见，在有液体侧向冲击时，质心侧偏角在峰值时有较大的变化；由图10可见，有侧向液体冲击时车身侧倾角速度变化非常剧烈，尤其是在初始5 s内高频冲击成分较多，到后期逐渐稳定，但峰值仍较无冲击的高出2倍。

6 结语

a.本文使用ADAMS软件建立液罐车的多体系统动力学模型，并对液罐车常规行驶的制动、越野道路随机激励、蛇行试验工况下分别对液罐车行驶安全性进行计算与分析。

b.按GB 7258的要求对制动性能进行分析，该液罐车制动距离为7.5 m，制动减速度为0.8g，满足法规要求。

图9 液罐车质心侧偏角有无液体冲击对比图

图10 液罐车车身侧倾角速度有无液体冲击对比图

c.在越野道路行驶时，垂向加速度功率谱在5～10 Hz输出能量较大，基本为轮胎共振频率段，最大峰值为0.7 g2/Hz，垂向方向上载液罐与车辆底盘之间需进行隔振处理。在侧向方向上20 Hz时有车身侧倾造成的一个峰值，在载液罐的侧向方向上也需进行一定的加固处理，以免由于浪涌造成侧向加速度耦合。

d.蛇形试验时，由于液体侧向冲击力对操作稳定性影响较大，将液体冲击力等效加载入系统，可见有液体侧向冲击的车辆蛇形时其侧向角加速度变化剧烈，约为无冲击的2倍，在初始时刻侧向角加速度高频变化较大，后期高频部分基本衰减，对该种车辆在入弯初期时侧向加速度不宜过大，驾驶员须谨慎操作。

e.本文装载危险品的液罐车的设计方法可以为其他危险车辆的设计提供参考，所计算的动态数据可以为危险车辆的结构动态校核设计提供依据。