半挂式液罐车罐内液体晃动及其对整车侧翻稳定性影响研究现状

贾心红，张竹林，蒋德飞

半挂式液罐车罐内液体晃动及其对整车侧翻稳定性影响研究现状

贾心红，张竹林*，蒋德飞

（山东交通学院汽车工程学院，山东 济南 250011）

半挂式液罐车具有载重大、运输效率高、经济成本低的特点，逐步成为我国液体货物道路运输的主力。车辆运行过程中罐内液体晃动和车辆运动之间的耦合作用大大降低车辆的行驶稳定性，使液罐车易发生横摆、侧翻等问题。文章主要对罐内液体晃动的常见研究方法及液体晃动对侧翻稳定性影响进行总结分析，为研究半挂式液罐车侧翻稳定性提供一定的理论基础。

半挂式液罐车；液体晃动；侧翻稳定性

引言

半挂式液罐车载重大、质心高且罐体内液体容易晃动，在某些外界激励下非常容易发生侧翻，再加之其运载的液体货物大多具有易燃易爆、剧毒等危险属性，由侧翻引起的液体货物泄露、燃烧、爆炸等二次事故造成的后果更加严重。影响半挂式液罐车发生侧翻的原因非常复杂，一般情况下，半挂式液罐车的罐体处于非满载状态，相比于装载刚体货物的半挂车辆而言，即使是在常规的制动、转向等正常行驶过程中，罐内液体发生晃动，使得车辆的侧翻几率也远高于装载等质量刚体货物的半挂车。因此研究半挂式液罐车液体晃动机理及其对整车侧翻稳定性的影响是十分有必要的。

1 罐内液体晃动研究现状

液罐车充液系统是同时包括气相和液相的复杂力学系统，因此对充液系统的动力学模拟分析异常困难。尤其针对罐内液体部分装载时，液罐内会出现自由液面，这极大地增加了分析的难度。罐内液体晃动研究目前多采用准静态液体模型方法、机械等效力学模型方法、液体晃动动力学模型方法、实验/仿真法等。

1.1 准静态液体模型方法

静态液体模型（QS模型）基于液体静力平衡微分方程，估算每一时刻罐内液体倾斜度，通过计算瞬时液体质心位置，得到液体晃动的冲击效果。该模型假设液体表面是一个平面并做整体运动，考虑车辆的离心力和惯性力，其优势是计算速度快，但该模型局限于形状规则罐体，且预测液体晃动达到稳态时的动力学响应，无法反应液体的动态变化和晃动过程。文献[1]将转向行驶的液罐车罐内液面晃动视为准静态变化过程，建立准静态液体模型，分析液体晃动对液罐车的侧倾稳定性的影响。文献[2]建立了非满载椭圆形罐体准静态液体模型，并与FLUENT瞬时冲击仿真结果对比得出：FLUENT仿真得到液体瞬时冲击的作用力和质心位置的平均值与该模型计算所得基本一致，该模型预测液罐车侧倾阈值比实际车辆情况偏高。

1.2 机械等效力学模型方法

机械等效力学模型就是利用易于分析计算的机械模型来近似模拟罐内液体晃动，将流体动力学问题转化为机械运动问题。常见的机械等效力学模型有单摆模型、弹簧－质量模型、椭圆规钟摆模型等。

文献[3]等通过建立液罐车等效晃动动力学单摆模型，对比等质量的固体货物的运动状态，验证液体晃动降低整车侧倾稳定性。文献[4]等基于液体晃动与车辆运动的耦合关系，建立罐体内液体晃动等效椭圆轨钟摆模型，通过液罐车动力学响应特性分析得到，影响液罐车行驶稳定性的主要因素是转载液体质量与罐车整体质量的比值，应该尽量避开液罐车充液比是0.4 : 0.7的情况。文献[5]将等效单摆模型进行参数化辨识，即运用CFD软件分析椭圆形截面贮罐内液体晃动，后通过MATLAB软件对数值仿真结果进行拟合，实现等效力学模型参数化，并进一步验证了模型的正确性。

机械等效力学模型是目前分析规则罐体罐内液体晃动常用的方法。我们不难发现机械等效力学模型对于工程上计算晃动力或力矩，能保证模型的实时性同时兼顾准确性，该模型参数来源于线性晃动理论或实验结果，模拟液体的非线性晃动特性存在一定的偏差，难以求解具体的晃动细节。

1.3 液体晃动动力学模型方法

液体晃动动力学模型可分为线性动力学法和CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，线性动力学方法一般分析罐内液体小幅晃动，而CFD可用于求解罐内液体复杂非线性晃动，但计算量比较大。文献[6]建立带弹性膜的罐内液体晃动动力学模型，基于液体晃动与弹性膜的耦合作用分析弹性膜对液体晃动的影响。文献[7]建立了带横向防波板的液体晃动三维CFD模型，并分析了防波板曲率、开孔大小、形状、位置等对液体晃动的影响。

1.4 实验/仿真法

仿真法求解准确，成本较低、简单明了，具有明显优势，尤其随着计算机的快速发展，建立ANSYS液体仿真模型，已成为目前研究罐内液体晃动常用方法。罐内液体处于复杂激励条件时，基于线性/非线性理论模型研究及仿真方法，并不能完全反映晃动过程物理变化，存在一定的局限性。实验法能够真实反映物理变化过程，但实车操作危险度大、成本较高，往往采用等比例缩放液罐或圆柱液罐在试验台上进行实验研究。

文献[8]通过Ansys/Fluent软件建立液罐车液体晃动模型，结合三自由度液罐车刚体模型，建立车－液耦合的动力学模型，分析罐内液体晃动对液罐车横向稳定性的影响。不难发现对于形状复杂的罐体，实验/仿真法来验证分析所建立的模型有效性已成为一种常用方法[9-12]。

根据上述分析，可知半挂式液罐车罐内液体晃动研究起步比较晚，很多学者的研究往往基于准静态方法或等效力学模型方法来建立罐内液体晃动模型，然后再与流体仿真软件进行对比验证。虽然节省部分人力物力，但是研究结果的精确性不能保证，尤其是液体的非线性晃动部分。对罐内液体晃动的研究要注重流固耦合机理研究，重点关注液体非线性晃动，建立流固耦合动力学模型是关键。

2 液罐车液体晃动对侧翻稳定性影响研究现状

半挂式液罐车由于载重大、质心高且罐体长度远远大于车轮间距，使得液罐车比普通半挂车更容易发生摆振、侧滑、侧翻，研究其侧翻稳定性是非常必要的。基于液罐车罐体的形状结构、内置防波板数量及结构、罐体充液比，车辆行驶工况等分析车辆侧倾稳定性，目前这类研究较多，通过对液罐结构优化，改善车辆的操纵稳定性。

文献[13]研究了液体晃动线性激励下的整车侧翻稳定性，当充液比为50%～80%时，等截面的椭圆形罐体液体晃动频率低于圆形截面，具有较好的侧倾稳定性；文献[14]分析计算变截面液罐车的侧倾稳定性，在一定范围内，液罐的变截面高度差越大，车辆质心越低，越有利于车辆的侧倾稳定性。文献[15]优化了考虑罐内液体质心变化的车辆三自由度模型，通过仿真得到转向工况下，车辆行驶速度与前轮转角之间的临界曲线，低于临界曲线时，车辆横向载荷转移率低，侧倾稳定性较好。

除了罐车罐体结构优化，防侧翻主动控制技术也是提升车辆侧翻稳定性的重要研究方向。在车辆的主动防侧翻控制方面，目前主要有主动悬架、主动转向和差动制动等几类控制方式。其中，差动制动通过对车轮制动力不对称分配产生附加横摆力矩，减小车辆侧倾加速度，降低车速，避免车辆侧翻。文献[16]基于差动制动，设计了一种多模型、切换和调整的自适应控制器，来防止车辆的侧翻，并通过受控和非受控车辆对比验证了此控制器的性能优势。文献[8]等分析了液罐车在转向或换道时，车－液耦合动态响应对整车稳定性影响，提出了模糊差动制动控制策略。仿真实验表明：模糊PID差动制动控制，减小了车辆的横摆角速度、侧倾角和侧向加速度，提高了液罐车行驶稳定性。

半挂式液罐车行驶工况复杂，其侧倾稳定性受多重因素影响。目前大多数学者研究从车辆自身性能和主动安全控制方面来提升车辆的侧倾稳定性，综合分析液罐车行驶工况、路况及驾驶员操纵方面研究相对较少。半挂式液罐车侧倾稳定性问题，还需充分挖掘各复杂行驶工况下的驾驶员、道路等影响因素，协同研究，全面提高液罐车的侧倾稳定性。

３ 结语

半挂式液罐车罐体内液晃动非常复杂，建立一种简单、有效、准确的液体晃动模型是十分重要的。最常用的方法是将液体晃动适度简化，在简化模型的基础上建立罐车动力学模型。本文分析了液罐车罐内液体晃动四种常见方法——准静态液体模型方法、机械等效力学模型方法、液体晃动动力学模型方法和实验/仿真法的优势和不足，便于根据不同的研究需求选择相应的方法。在液罐车临近侧翻的一定范围内，考虑液体的高阶晃动和液体晃动的非线性特性，而在中低车速、较稳定工况中可采用一阶单摆模型模拟液体晃动[17]。不难发现，研究过程中罐车内液体的非线性晃动模拟精确度相对较差，液体也通常看作是理想的流体，忽略了粘性液体阻尼作用对车辆晃动和侧倾稳定性的影响。

考虑罐内液体晃动的液罐车防侧翻控制策略研究已经成为安全领域研究的热门话题。大多研究往往基于单一的侧向动力学建模来研究液罐车侧翻稳定性。非满载液罐车罐内液体晃动规律非常复杂，再加上与车辆动力学的强耦合作用，建立完整有效的液－罐－车耦合动力学模型非常困难。同时考虑纵向和侧向动力学的建模复杂，目前研究相对较少。比如非满载液罐车在转向制动或转向加速复杂行驶工况下，车－液耦合动力学模型还有待于进一步研究。

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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

贾心红（1989—），女，山东交通学院汽车工程学院；

张竹林（1979—），男，副教授，研究生导师，就职于山东交通学院汽车工程学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.044