液罐车流固耦合系统动力学建模及行驶稳定性控制研究

Tank vehicle’s driving stability was greatly influenced by nonlinear liquid sloshing with large amplitudes, which results in frequent traffic accidents. Therehence, it was of great significance to develop tank vehicle’s driving stability control in order to protect tanker transport safety. However, as a complicated fluid-solid coupling system, tank vehicle is a distributed parameter system with infinite degree-of-freedoms. The analysis and design of active control system for tank vehicles based on distributed parameter model was quite difficult, even impossible. To solve this problem, the project aims to study the dynamic features of liquid sloshing, then to investigate its internal mechanism and external performance. In the next, to analyze the principles that must be complied with when transform liquid sloshing to mechanical movement equivalently, and to establish equivalent mechanical model for nonlinear liquid sloshing in partially-filled tanks. On the basis of these work, to study the coupling mechanism of vehicle driving and liquid sloshing, and to establish tank vehicle’s dynamic model. In the follows, to analyze vehicle dynamic features and study how tanker lose driving stability. Then, to design active controller for tank vehicles. The research will provide theoretical and technical support for driving stability analysis, and the safety guarantee system and driving assistant system development of tank vehicles.

非满载罐体内的大幅、非线性液体晃动极大地降低了液罐车行驶稳定性，致使其交通事故频发。为保障液罐车道路运输安全，对其行驶稳定性进行主动控制研究具有十分重要的意义。然而，液罐车是一个复杂的流固耦合系统、是具有无限多自由度的分布式参数系统。直接应用分布式参数模型进行系统主动控制研究存在严重困难，甚至是不可能的。为此，本项目从液体晃动动力学特性的研究入手，探究液体非线性晃动的内在机理和外在表现，剖析液体晃动向机械运动等效转换的机理，构建液体大幅、非线性晃动的等效机械模型，将液罐车流固耦合系统转化成机械刚体系统。在此基础上，研究液体晃动与车辆运动的耦合机理，构建液罐车流固耦合系统动力学模型。进一步地，分析系统特征，剖析罐车失稳机理，设计液罐车行驶稳定性反馈控制器。项目研究成果将为液罐车行驶稳定性分析及其控制策略研究、行车安全保障技术开发提供理论依据和技术支持。

非满载罐体内的大幅液体晃动极大地降低了液罐车行驶稳定性，致使其交通事故频发。为保障液罐车道路运输安全，本项目对液罐车侧向动力学特性展开研究，并在此基础上设计主动控制器。非满载罐体内的液体侧向晃动是流体动力学问题，如果利用流体动力学理论分析液体晃动，最终所构建的液罐车整车动力学模型将会是具有无限多自由度的分布式参数系统。直接应用分布式参数模型进行整车性能分析和主动控制器设计存在严重困难，甚至是不可能的。为解决这一问题，本项目通过液体侧向晃动的FLUENT仿真获取冲击数据，分析液体冲击状态参数和结果参数的时间和空间特征，将液体冲击流体动力学问题转化为机械系统运动问题，使用椭圆规钟摆模型描述液体侧向晃动。随后，以罐体作为联系车辆运动和液体晃动的桥梁，分析车辆运动和液体晃动的耦合关系，构建非惯性坐标系下的椭圆规钟摆动力学模型。将液体晃动所产生的冲击力和力矩作为惯性力，构建液罐车整车动力学模型。据此，分析角阶跃输入下罐体形状、货物装载水平和运动粘度对液罐车侧向和侧倾响应的影响，明确罐车侧倾失稳的控制目标。根据罐车动力学模型的特点，设计无模型自适应控制器，在大范围内实现了罐车的侧倾稳定性控制。本项目的研究成果为液罐车行驶稳定性分析及其控制策略研究、行车安全保障技术开发提供了理论依据和技术支持。