危化罐车中长波起伏路面液体晃动动力学行为研究

为研究路面起伏对危化罐车行驶稳定性的影响,基于路形不平度数据建立中、长波路面模型。以多轴液罐车为对象,构建考虑轮胎变形和悬架非线性的车辆动力学模型。建立液体纵、侧向晃动等效力学模型,与车辆动力学模型耦合,得到不同路面行驶罐体运动学参数,以激励液体晃动模型。研究结果表明,两侧路面相位差增加对罐车侧向稳定性产生不利影响;液体侧向晃动频率随路面波长增加而减小,随充液比增加而增大;牵引车鞍座至半挂车轴距离为波长整数倍时,液体纵向晃动明显;斜向防波板可抑制液体侧向晃动,但低充液比小幅晃动时抑制效果较差;罐车低充液比通过起伏路面时,适当提高车速可降低液体晃动;高充液比时车速过快将导致晃动幅度和壁面载荷显著增大,降低车辆行驶稳定性。

罐式车辆液体晃动等效阻尼摆模型研究

【目标】针对当前罐式车辆液体晃动等效摆模型考虑阻尼影响不足的问题,研究罐式车辆的罐内液体晃动机理。【方法】将阻尼耗散机制与等效圆摆模型结合,基于拉格朗日方程构建了考虑阻尼效应的液体晃动等效圆摆模型,推导带有阻尼项的液体晃动等效摆运动方程,求解液体晃动冲击力和力矩,分析液体晃动对罐体冲击力和冲击力矩的阻尼衰减规律。【结论】(1)与现有等效摆模型对比,提出的模型可有效模拟液体晃动的衰减效果。(2)在充液比为0.5~0.6范围内,罐内液体晃动对罐体的冲击力和冲击力矩最大,此时罐内液体的侧向晃动导致罐式车辆侧翻风险最高。(3)在激励持续阶段,罐内液体晃动产生的冲击力主要与激励大小有关,与装载液体的阻尼特性关系不显著;在激励消散阶段,不同激励水平下的液体晃动力衰减系数在充液比0.7附近呈现趋同现象。(4)充液比高于0.7时,衰减系数随充液比的增加呈显著增大趋势,表明阻尼作用得到显著加强。【应用】考虑阻尼效应的等效摆模型更符合罐内液体晃动的实际情况,可为开展道路运输罐式车辆的液体侧向晃动以及侧翻预警控制研究提供支撑保障。

圆形截面罐体液体晃动的摆锤模型可行性研究

为研究圆形截面罐体液罐车液体晃动等效摆锤模型的可行性,运用非惯性系下流体Euler方程和均质平面体质心计算公式,构建了液体自由液面倾斜率和质心坐标精确计算模型。得出圆形截面罐体液罐车在横向加速度作用下,液体质心运动轨迹是以罐体截面中心为圆心的一段圆弧,在此基础上提出了一种以液体质心与罐体中心连线为等效摆长的摆锤模型。采用理论计算与计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真技术,分别得到相对应条件下的摆锤振动曲线图像。摆锤振动曲线图像表明,将圆形截面罐体液罐车液体晃动视为摆锤振动具有可行性,可以较好地反映出液体晃动变化规律,方便计算液体晃动时对罐体内壁的反作用力。研究结论可为开展液罐车横向稳定性研究提供理论参考。

高轨大型航天器液体晃动等效建模方法研究

高轨航天器一般都带有大量液体燃料,在进行轨道机动时液体运动会对航天器的姿态产生不可忽略的扰动,建立简洁而精确的液体晃动动力学模型具有重要的工程应用价值.介绍在带有大型燃料贮箱的高轨航天器研制过程中液体晃动等效动力学建模若干问题的研究进展,包括应用于位保模式的任意形状三维贮箱液体晃动等效建模方法、姿态大角度机动下时变参数等效力学建模方法,给出基于静矩和惯量连续的变参数等效建模方法,并通过数值仿真验证了所提出方法的准确性.

弹性膜对部分充液罐车内液体晃动的抑制效果研究

为了提高液罐车的制动性能和侧倾稳定性极限,建立了流固耦合模型,研究了弹性膜对部分充液罐车内液体晃荡的抑制效果.进行了实验室实验,实验结果验证了数值模型的有效性.验证后的模型被进一步用于研究不同的弹性膜配置对晃荡响应的影响,如液体载荷传递、晃荡力、俯仰力矩和罐壁压强.研究中考虑了两种不同的储罐配置,即没有任何阻尼装置的储罐和具有各种弹性膜组合的储罐,以进行比较.结果表明,添加弹性膜可以显著限制液体的运动,从而显著降低由晃动引起的俯仰力矩,这将提高罐车的制动性能和侧倾稳定性极限.

带刚性防波板罐体内液体晃动的响应分析

部分充液罐体内的液体在外部激励的作用下容易出现晃动现象,由液体晃动产生的附加力和力矩会对载液罐车产生不利影响。为了避免液罐车制动时其罐内液体产生较大幅度的晃动,提出了几种类型的防波板,并研究了防波板及其几何参数对液罐车内液体晃动的影响。首先,建立了基于有限体积法的液体晃动的数值模型。其次,对液体晃动现象进行了一系列的实验,通过将实验获得的液面波形与同等条件下数值模拟获得的结果进行对比,验证数值模型的有效性。最后,将验证后的数值模型用于分析防波板的几何参数对液体晃动响应的影响。研究结果表明,开孔防波板不仅可以有效降低罐内晃动响应参数的峰值,还可以明显缩短罐内晃动液体达到稳定的时间;防波板的开孔位置和孔的数量在车辆制动过程中对罐体内液体晃动引起的纵向力的峰值影响差别不大,但是对液体晃动引起的俯仰力矩的峰值的影响比较明显;晃动响应参数峰值的下降率会随着充液高度的增加呈先下降后上升的趋势,液体晃动引起的俯仰力矩的峰值取得最大值时,防波板对罐体内的液体晃动的抑制效果最差。

车辆碰撞工况下液氢燃料罐内液体晃动的热力耦合特性分析

建立了车辆碰撞工况下液氢罐内的液体晃动模型,采用拟合车辆碰撞过程中减速度曲线的方法,分析车载横置燃料罐中液氢在不同碰撞速度下的热力耦合响应,并对真空层有无破损的情况进行对比分析。结果表明:随着碰撞速度的提高,液氢的晃动、最大位移和气液接触面积显著增大;真空层失效情况下,液氢蒸发量和罐内压力大幅上升,会严重影响系统安全。对于50 km/h和90 km/h两个速度的正面碰撞,饱和液氢的蒸发使气枕压力在6 s内分别升高了5 910 Pa与5 710 Pa,气压增量为真空层完好时各自工况的604%与584%。

池式快堆堆本体中液体晃动效应的研究进展

堆本体是核反应堆的核心组件,也是核反应堆进行核聚变或核裂变反应的关键部位。池式快堆堆本体内部的液态金属冷却具有大自由液面特征,其内部液体出现晃动可能会对核反应堆的安全性和稳定性造成不利影响,因此开展池式快堆堆本体中液体晃动效应的研究具有重要意义。首先,阐述了液体的晃动效应,并介绍了池式快堆堆本体的结构形式;其次,从理论研究、数值模拟和振动台试验三个方面对池式快堆堆本体的液体晃动研究进行了讨论分析。研究结果表明:单一的理论方法、数值模拟或振动台试验难以准确捕捉液体晃动对堆本体结构的实际影响,结合使用这三种方法能够获得更为准确和全面的研究效果;最后,对既有研究进行了梳理与总结,以期为池式快堆堆本体的进一步抗震研究提供新的思路和启发。

液罐横截面形状对液体晃动影响分析

在Ansys Fluent软件中建立了不同横截面的液罐二维仿真模型,用准静态模型法和频率验证法来验证仿真模型的有效性。基于Fluent软件,计算出不同充液比下,不同横截面液罐产生的侧向力、侧倾力矩和液体晃动的固有频率。结果表明,基于Fluent的仿真法计算出的侧向力和侧倾力矩的峰值显著大于准静态值。本文所提出的优化液罐能有效降低液体晃动产生的侧向力和侧倾力矩,并能提高液体晃动的固有频率。

液体晃动降低半挂液罐车行驶稳定性

为研究液体晃动对半挂液罐车行驶稳定性的影响,针对罐体内液体的横向晃动问题,运用势流理论建立液体晃动的控制方程,采用Galerkin方法求解该方程,并求解液体受迫晃动对罐体的作用力,根据等效原则,建立液体受迫晃动的等效力学模型,在考虑液体质心的横向移动产生的附加力矩和液体动压力对罐体产生的作用力基础上,结合半挂车的刚体模型,建立了半挂液罐车数学模型。对液体和固体2种货物,通过阶跃转向和双移线2种工况对比仿真试验,分析了液体晃动对半挂液罐车行驶参数和车辆失稳形式的影响。仿真结果表明,在阶跃转向时,液体晃动对车辆的侧倾角影响较大,降低了车辆的侧翻速度阈值,而对其他运行参数影响较小;在双移线工况时,液体晃动加剧车辆的侧向加速度和铰接角的波动,使车辆横向摆振明显;在充液率k=1.2附近,随着车速的增加,车辆先表现为摆振失稳,再发生侧翻,而在接近满充液率(k=1.9)情况下,随着车速的增加,车辆直接表现为侧翻事故。该文为半挂液罐车稳定性控制的研究和安全行驶提供参考依据。

航天器贮箱大幅液体晃动三维质心面等效模型研究

针对航天器贮箱内的大幅液体晃动建立了三维质心面等效模型,此模型将贮箱内液体等效为位于液体质心处的质点,该质心点可以在质心约束面内任意运动,同时利用质心点动力学方程及接触碰撞模型近似计算液体晃动对贮箱的作用力。质心面等效模型的数值仿真结果与基于VOF方法的流体动力学数值计算结果基本吻合,从而验证了质心面等效模型用于航天器贮箱大幅液体晃动分析的有效性。

液体晃动有限元模态分析及试验研究

通过试验分析和数值仿真,研究了水平圆柱形贮箱内液体横向晃动特性。分析了贮藏箱在各种充液比下液体的晃动特性,利用扫描式激光测振仪结合试验设计较好地解决了液面波形直接测量的问题。通过有限元软件Ansys较好地模拟出液体低阶晃动振型和高阶局部振动情况,并通过虚拟质量法校核液体横向晃动低阶频率值。将有限元计算结果与试验实测结果进行了比较,发现两种方法对比研究能较好地解决这类液体系统模态分析问题。

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高,液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加.液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性,是航天器动力学中一个备受关注的问题.充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统,理论上是无穷维的,而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的,因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰.另外,液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响,在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应.本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际,从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状,并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况;然后,以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件;最后,根据航天器工程的发展需求,对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.

航天器液体晃动与液固耦合动力学研究概述

液体晃动是一个在充液航天器总体设计中必须考虑的问题，随着航天事业的飞速发展，推进剂占火箭、卫星等航天器总重量的比重不断加大，推进剂的运动对在轨航天器的稳定、控制、定位、对接的影响都是关键的．因而，需要对液体晃动做更深入的研究．液体燃料系统是航天器复杂大系统的一个子系统，在进行整个系统分析时需要考虑到液体与结构之间的相互作用，这样就必须进行液固耦合力学的研究．本文对与航天工程相关的液体晃动问题和液固耦会动力学问题的研究方法进行了简要介绍，概要性综述了这些问题的研究进展．

运动罐体内液体晃动的双向流固耦合数值分析

针对部分充液运动罐体内液体晃动对罐车运输安全的问题,以带有单个防波板的运动罐体模型为基础,采用双向流固耦合方法,对运动罐车在刹车过程中罐体内液体的晃动现象进行了数值分析,研究了不同材料防波板在载液罐体内的受力情况,以及在刹车制动过程中罐体内气液两相分布状态,从而获得了采用单向耦合方法不能获得的罐体结构应力随时间的变化历程.研究结果表明:罐体端面受力随着充液比的增加而增大,当充液比为0.8时,罐体的总体受力最大;对于不同材料的防波板,当防波板变形较小时,其对罐体端面和罐体整体受力的影响相对较小,防波板的最大剪切应力随着材料剪切模量的增大而非线性减小.

非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD(计算流体动力学)分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。

考虑液体晃动和罐底提离储液罐的研究

一直以来没有一个简便、有效的模型来模拟壳-液的多种移动边界、几何大变形和流体液面大幅晃动、粘性等多种非线性因素耦合作用的三维的地震反应分析问题.运用大型有限元程序ANSYS中的单元建立考虑液体晃动和罐底提离的储液罐模型,分析了地震作用下无锚固储液罐的动力响应.通过与经典的C lough试验结果进行比较,验证了所建模型的可靠性.模型在数值分析结果中成功的再现了液面的大幅晃动的现象和无锚固储液罐的罐底提离现象.

航天器贮箱内液体晃动阻尼研究(一):理论分析

在理想流假设及线性化的自由表面边界条件的基础上,对刚性容器中液体小幅晃动进行了流体相似律的研究。得到了晃动的固有频率及各部分阻尼随特征长度、特征运动粘性系数以及特征重力加速的变化关系。此外还分析了壁面阻尼,受污染的自由液面阻尼以及液体的内部阻尼这几部分晃动阻尼的相对关系,以及它们随各个特征参量的变化情况。分析发现各部分的晃动阻尼比取决于一个无量纲参数,内部阻尼所占的比例随着运动粘性系数的增大、特征尺寸的减小、特征重力加速度的减少而增大,因此在某些情况下内部阻尼不可忽略。

水平地震激励下储罐液体晃动分析

在考虑地基与储罐相互作用的情况下,采用有限元法对储罐在水平地震荷载作用下的液体晃动反应进行了分析。结果表明:罐内液体的晃动是长周期运动,并且是多阶振型的组合。从与小体积罐的比较可以看出,大型储液罐的液面晃动不只是以基本振型为主,前几阶振型对液面晃动的贡献也比较显著,并且液面晃动的基本周期比小体积罐的大很多。

罐车制动时液体晃动的仿真分析

采用Volume of Fluid(VOF)模型对罐车制动时液体的晃动进行了数值模拟,对单室受力、受力位置及整车轴荷分配进行了计算,并通过与实验结果的对比验证了计算方法的可靠性.计算结果表明,无防波板时,随减速度增加,单室x,y方向受力峰值增大,整车轴荷比增大;随充液比增加,单室x方向受力峰值先增大后减小,y方向受力峰值增大,制动初始与结束时充液比越大轴荷比越大,1 s左右充液比越大轴荷比越小;单室带防波板时,随防波板面积增加,x,y方向受力峰值减小,当防波板面积大于横截面的40%时,增加防波板面积能显著改善罐体受力,且防波板面积越大轴荷比峰值越小.