重型半挂式液罐车罐内液体晃动的非线性动力学研究

【摘要】我国是货运大国，重型半挂式液罐车运输在液体货物运输、消防等领域占据着主导地位。重型液罐车在运行中内部液体将会受到车辆制动或转向等外部激励时，车体将获得一个巨大初始冲量使得液体的动量和动量矩发生剧烈的变化。当罐内液体大幅晃动时会将出现碎波等强非线性晃动，罐车的惯性力和质心位置都会产生剧烈变化。虽然液体大幅晃动时间较短，但危害性却远超微幅晃动。罐内液体在液罐车将要失稳时的晃动是剧烈的，晃动的非线性特性对液罐车失稳所起的作用不可忽略，对车辆行驶稳定性和安全性有着极为重要的影响。因此，为保证罐车运输安全，需要深入研究液罐车罐体内部液体介质大幅非线性晃动问题。目前常用的研究方法是把液体晃动过程对车体的作用等价简化为线性系统的振动问题，仅有很少一部分考虑了液体非线性的振动问题。研究发现当晃动幅度较小时，系统可作线性化处理，但当晃动幅度超过一个临界点，非线性特性比较明显。然而罐体中液体晃动的非线性问题至今仍未得到很好的解决。对于这类问题，可采用实验研究的情况较少，大多采用数值方法计算罐内液体的非稳态流动过程。本文以重型半挂式液罐车为研究对象，对液罐内液体晃动的非线性动力学进行了数值分析，借助通用流体分析软件FLUENT,选用VOF方法定义自由液面，湍流模型，确定了液罐车运动过程中液体介质晃动的计算模型，求得到罐车行驶过程中液体晃动的非线性动力学响应。通过分析制动、转向等激励下罐车运行过程中液体晃动的动态冲击响应，同时考察了外激励下罐内液体晃动的非线性效应，也为今后罐车的设计和优化提供了参考依据。本论文主要工作如下：(1)建立罐体二自由度模型和液体晃动动力学模型。罐体在路面下的运动模型等效为简单二自由度模型。罐内液体的晃动以充液系统动力学和有限体积法理论为依据，采用VOF方法定义液体自由表面，标准两方程模型为湍流模型，根据相关边界条件和参数，建立罐体内液体的晃动模型。(2)验证液体晃动模型的正确性。根据所确定的数值模型，计算充液率不同时的直立圆柱形罐内的液体介质晃动固有频率，通过对比仿真计算结果与实验值、解析解来验证模型的正确性。(3)对罐体在制动、转向、路面激励下晃动的动态响应进行数值模拟。通过自编写UDF，将车辆的紧急制动、转向加速度等外部激励以体积力的形式加载到计算模型中,分析激励下罐内液体晃动的力、力矩的时间历程，考察不同液体介质、充液比等参数对罐内液体晃动非线性的影响。(4)针对不同型式防晃板，分别计算在制动工况下罐内液体的晃动。通过对比罐体受到最大冲击力及冲击力变化曲线等来分析防晃板效果，为防晃板的优化设计提供参考依据。
【作者】刘晓；
【导师】王丽娅；
【作者基本信息】吉林大学，工程力学，2014，硕士
【关键词】液体晃动；液罐汽车；非线性；有限体积法；VOF；

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