CN111879524B - 一种液罐车模拟试验台及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液罐车模拟试验台及其试验方法，属于仿真模拟技术领域。该液罐车模拟试验台利用液罐车动力学模型对采集的车辆动作进行仿真，将仿真的参数输出至数据输出显示模块，同时通过液体晃动等效模型模块计算预设液面高度结合的车辆动作下产生的晃动力，并控制静载荷模拟装置和液体晃动模拟装置对罐体进行相应的加载，采集罐体的参数反馈给液罐车动力学模型模块，进行液罐车动力学响应仿真运算，从而形成闭环耦合***。该试验台能够模拟液体在液罐车不同运动状态下的动力学特征，以及液体晃动对车辆运行的影响，为液罐车的稳定性控制提供理论依据和技术支撑。

Description

一种液罐车模拟试验台及其试验方法
技术领域
本发明属于仿真模拟技术领域，具体涉及一种液罐车模拟试验台及其试验方法。
背景技术
随着我国公路运输液体化工产品运量的不断攀升，液罐车产量快速增加，液罐车运输安全性也需要不断发展提升。
液罐车作为运输液体的主要工具，与一般车辆相比重心位置高，轮距相对于车身高度过窄，并且受罐内液体晃动和车辆运动的相互耦合影响，在避障运动过程中易发生“折叠”、“摆振”等横向失稳和侧翻等事故，使得整车的稳定性问题较一般车辆更为复杂。所以研究液体和车辆的耦合运动，对液罐车的稳定性控制***开发有着重要的实际意义。
鉴于液罐车实车试验具有较高的危险性，目前液体对罐体的冲击和车液耦合研究多采用数学建模仿真分析的方法进行，这在一定程度上可以反映液体晃动的特性和对车辆的影响，但无法表现出液罐车实际行驶和驾驶员人为操纵等综合因素引起的复杂车液耦合运动。所以有必要研究能实时模拟液体晃动，又能够反映车液耦合特性的试验台，为液罐车的稳定控制***开发提供平台。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种液罐车模拟试验台，通过该试验台能够模拟液体在液罐车不同运动状态下的动力学特征，以及液体晃动对车辆运行的影响，为液罐车的稳定性控制提供理论依据和技术支撑。
本发明的另一目的是提供一种上述液罐车模拟试验台的试验方法。
技术方案：本发明所述的一种液罐车模拟试验台，包括驾驶模拟装置、液体晃动模拟部分和液罐车仿真平台；
所述液体晃动模拟部分包括罐体、支撑罐体的轮胎组件、静载荷模拟装置、液体晃动模拟装置、力传感器、倾角传感器以及加速度传感器；所述静载荷模拟装置对罐体施加向下载荷以模拟液体重量，所述液体晃动模拟装置对罐体侧壁施加载荷以模拟液体的晃动力，所述力传感器检测轮胎的垂直载荷，所述倾角传感器检测罐体的侧倾角度，所述加速度传感器检测罐体的侧向加速度；
所述液罐车仿真平台包括数据采集卡、液罐车动力学仿真模型模块、液体晃动等效模型模块以及数据输出显示模块；所述数据采集卡采集驾驶模拟装置、力传感器、倾角传感器以及加速度传感器的实时参数，并将参数输入液罐车动力学仿真模型模块；所述液罐车动力学仿真模型模块对车辆的实时状态进行仿真，并输出给数据输出显示模块以及液体晃动等效模型模块；所述液体晃动等效模型模块计算出液体的晃动力，并控制所述液体晃动模拟装置对所述罐体施加所述晃动力。
具体的，所述驾驶模拟装置包括方向盘转角传感器、油门踏板位移传感器以及制动踏板位移传感器。液罐车动力学模型模块包含了液体晃动和液体质心转移计算模块，通过采集包括驾驶模拟装置中的这些传感器的数据来实施仿真。
所述静载荷模拟装置包括静载荷油缸；所述静载荷油缸具有固定端和活动端，所述活动端铰接于所述罐体的内壁面。通过活动端的动作对罐体进行加载。
所述静载荷模拟装置还包括自外向内伸入所述罐体的第一支架，所述静载荷油缸的固定端固定在所述第一支架上，且静载荷油缸对罐体的载荷施加位置位于罐体的底部内壁面中间。第一支架与罐体之间为分离状态，不相互接触，通过第一支架对静载荷油缸进行固定，并将其活动端向下固定在罐体长度上中间位置的横截面垂直中线上，使得其对罐体的载荷施加位置位于罐体的底部内壁面中间，保证模拟的准确性。
所述液体晃动模拟装置包括第二支架和双杆油缸，所述第二支架自外部伸入至所述罐体内部，所述双杆油缸的缸体固定在第二支架上，双杆油缸的两根活塞杆分别铰接在所述罐体的两侧内壁面，且铰接点位于罐体长度的中间位置的横截面上。同样的，第二支架与罐体之间为也分离状态，不相互接触，通过第二支架对双杆油缸进行固定，使其两根活塞杆能够分别对罐体的两侧内壁面施加晃动力，保证模拟的准确性。
对应于上述液罐车模拟试验台，本发明所述的试验方法，所采用的技术方案包括：
通过数据采集卡实时采集驾驶模拟装置中的方向盘转角传感器、油门踏板位移传感器以及制动踏板位移传感器的参数，将该参数输入液罐车动力学仿真模型模块，仿真车辆的实时状态；
液罐车动力学仿真模型模块将车辆实时状态中罐体的运动参数输出给液体晃动等效模型模块；
液体晃动等效模型模块再结合预设的液面高度，计算出液体的晃动力，并对液体晃动模拟装置进行控制所述罐体施加所述晃动力；
根据预设的液面高度计算出液体的重量，通过静载荷模拟装置对罐体施加向下载荷以模拟该重量；
通过数据采集卡实时采集力传感器、倾角传感器以及加速度传感器的参数，反馈给液罐车动力学仿真模型模块，结合方向盘转角、油门踏板位移和制动踏板位移信号，进行液罐车动力学响应仿真运算，构成闭环耦合。
有益效果：与现有技术相比，该液罐车模拟试验台利用液罐车动力学模型对采集的车辆动作进行仿真，将仿真的参数输出至数据输出显示模块，同时通过液体晃动等效模型模块计算预设液面高度结合的车辆动作下产生的晃动力，并控制静载荷模拟装置和液体晃动模拟装置对罐体进行相应的加载，采集罐体的参数反馈给液罐车动力学模型模块，进行液罐车动力学响应仿真运算，从而形成闭环耦合***。该试验台能够模拟液体在液罐车不同运动状态下的动力学特征，以及液体晃动对车辆运行的影响，为液罐车的稳定性控制提供理论依据和技术支撑。
附图说明
图1是本发明的液罐车模拟试验台的结构示意图；
图2是液体晃动等效的弹簧—质量—阻尼***；
图3是求解罐体内液体重量的充液坐标系。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开的液罐车模拟试验台主要包括驾驶模拟装置、液体晃动模拟部分和液罐车仿真平台三个部分。
具体的，驾驶模拟装置主要是模拟驾驶员驾驶车辆的动作，并将这些动作通过方向盘转角传感器、油门踏板位移传感器、以及制动踏板位移传感器反馈出来。
液罐车仿真平台包括数据采集卡、液罐车动力学仿真模型模块、液体晃动等效模型模块以及数据输出显示模块。其中，液罐车动力学仿真模型模块包含了液体晃动和液体质心转移计算模块，它能够根据数据采集卡采集的数据信息，对液罐车进行实时状态的仿真，并将仿真的实时参数除给数据输出显示模块输出显示以外，还输入给液体晃动等效模型模块。液体晃动等效模型模块根据试验预设的液位高度结合仿真的罐体的运动参数计算出晃动力，再对液体晃动模拟部分进行控制。
液体晃动模拟部分包括按照实际构造等比例制作的罐体、支撑罐体的车轮组件、静载荷模拟装置、液体晃动模拟装置、力传感器8、倾角传感器2以及加速度传感器10。
其中，静载荷模拟装置包括自外部伸入罐体内部的第一支架、竖直向下安装固定于第一支架的静载荷油缸9、以及与静载荷油缸9适配的液压泵7、换向阀6和压力表5。第一支架与罐体保持相对独立，其作用是对静载荷油缸9进行固定，并具体固定于罐体长度方向的中间和罐体横截面垂直中线上，使其活塞杆向下铰接于罐体的底部内壁面中间，从而在向下施加载荷时能够更加准确的模拟液罐车罐体内盛装液体的状态。静载荷油缸9采用单活塞杆液压缸，通过液压泵7控制换向阀6给静载荷油缸9的无杆腔施加液压压力，模拟罐体内液体的重量，压力表5用以监测该压力。
液体晃动模拟装置包括自外部伸入罐体内部的第二支架、固定于第二支架的双杆油缸3、伺服阀4、伺服阀控制器1。同样的，第二支架也罐体保持相对独立，其作用是对双杆油缸3的缸体进行固定，双杆油缸3的两根活塞杆分别铰接在罐体的两侧内壁面，且铰接点位于罐体长度的中间位置的横截面上。双杆油缸3与静载荷油缸9共用一个液压泵7，其两个油口分别与伺服阀4的工作油口A、B连接，液罐车动力学模型模块输出的参数输入给液体晃动等效模型模块后，液体晃动等效模型模块计算出液体的晃动力，再通过伺服阀控制器1控制伺服阀4的工作油口A、B的压力，将模拟的液体晃动力通过双活塞杆作用在罐体上。
力传感器8安装在轮胎与地面接触面中部，用于检测轮胎的垂直载荷参数。倾角传感器2安装在罐体长度方向中间罐体顶部，用于检测罐体的侧倾角度。加速度传感器10安装在罐体长度方向中间罐体侧表面，用于检测罐体的侧向加速度。三者将罐体的侧倾角度、侧向加速度和轮胎的垂直载荷参数反馈给液罐车仿真平台，结合方向盘转角、油门踏板位移和制动踏板位移信号，进行液罐车动力学响应仿真运算，实现***的闭环耦合。
其试验方法中，为保证仿真的实时性，采用等效方法模拟液体的晃动。具体的，液体晃动等效模型采用图2所示弹簧—质量—阻尼***。其中，以预设的液面为该图中坐标系的xoy平面，mi、ki、ci、zi分别为第i阶液体晃动等效质量、弹簧刚度、阻尼系数、等效质量至xoy平面的距离，m0为等效固定质量块的质量，I0为等效固定质量块对自己质心的转动惯量，z0为固定质量块至xoy平面的距离，zcg为液体质心至xoy平面的距离；
等效模型中各项参数采用公式(1)确定
Figure BDA0002541027680000051
式中，ω为液体自由晃动特征频率，m为罐体内液体质量，由公式(3)确定；
ai＝ρ∫SrHidS，bi＝ρ∫∑+SrφidS，μi＝ρ∫SHiφidS，
其中ρ为液体密度，r为罐体半径，S为稳态液面，∑为罐体湿表面，H为液体晃动波高模态函数，φ为液体晃动模态函数；
阻尼系数ci由式(2)确定
Figure BDA0002541027680000052
计算不同液面高度罐体内液体的重量，先建立图3所示的罐体充液坐标系，其中O点为车辆顶部中心点，x轴沿罐体长度方向指向车辆前方，y轴过O点指向罐体一侧(本实施例中为左侧)，z轴过O点指向车辆上方并通过静止液体质心；其中h为液面高度，h0为液面到xOy平面距离，θ为液面罐体交点和坐标原点的连线与z轴的夹角；定义充液比k为h/r，则θ由式(3)计算：
Figure BDA0002541027680000053
输入罐体半径r、罐体长度L和液面高度h，通过公式(4)计算出不同液面高度罐体内液体的重量：
Figure BDA0002541027680000054
试验时，根据液面高度h的预设值，求得罐体内液体的重量后，通过静载荷油缸对罐体施加向下载荷模拟罐体内液体的重量；静载荷油缸压力由公式(5)确定：
P＝m/A (5)
式中，A为静载荷油缸无杆腔活塞面积。

Claims (6)

1.一种液罐车模拟试验台，其特征在于，包括驾驶模拟装置、液体晃动模拟部分和液罐车仿真平台；
所述液体晃动模拟部分包括罐体、支撑罐体的轮胎组件、静载荷模拟装置、液体晃动模拟装置、力传感器、倾角传感器以及加速度传感器；所述静载荷模拟装置对罐体施加向下载荷以模拟液体重量，所述液体晃动模拟装置对罐体侧壁施加载荷以模拟液体的晃动力，所述力传感器检测轮胎的垂直载荷，所述倾角传感器检测罐体的侧倾角度，所述加速度传感器检测罐体的侧向加速度；
所述液罐车仿真平台包括数据采集卡、液罐车动力学仿真模型模块、液体晃动等效模型模块以及数据输出显示模块；所述数据采集卡采集驾驶模拟装置、力传感器、倾角传感器以及加速度传感器的实时参数，并将参数输入液罐车动力学仿真模型模块；所述液罐车动力学仿真模型模块对车辆的实时状态进行仿真，并输出给数据输出显示模块以及液体晃动等效模型模块；所述液体晃动等效模型模块计算出液体的晃动力，并控制所述液体晃动模拟装置对所述罐体施加所述晃动力；
所述静载荷模拟装置包括静载荷油缸；所述静载荷油缸具有固定端和活动端，所述活动端铰接于所述罐体的内壁面；所述静载荷模拟装置还包括自外向内伸入所述罐体的第一支架，所述静载荷油缸的固定端固定在所述第一支架上，且静载荷油缸对罐体的载荷施加位置位于罐体的底部内壁面中间；
所述液体晃动模拟装置包括第二支架和双杆油缸，所述第二支架自外部伸入至所述罐体内部，所述双杆油缸的缸体固定在第二支架上，双杆油缸的两根活塞杆分别铰接在所述罐体的两侧内壁面，且铰接点位于罐体长度的中间位置的横截面上；所述液体晃动模拟装置还包括连接所述双杆油缸的伺服阀、以及伺服阀控制器；所述液体晃动等效模型模块通过所述伺服阀控制器控制所述双杆油缸对所述罐体施加所述晃动力。
2.根据权利要求1所述的液罐车模拟试验台，其特征在于，所述驾驶模拟装置包括方向盘转角传感器、油门踏板位移传感器以及制动踏板位移传感器。
3.一种根据权利要求1-2任一项所述的液罐车模拟试验台的试验方法，其特征在于，包括：
通过数据采集卡实时采集驾驶模拟装置中的方向盘转角传感器、油门踏板位移传感器以及制动踏板位移传感器的参数，将该参数输入液罐车动力学仿真模型模块，仿真车辆的实时状态；
液罐车动力学仿真模型模块将车辆实时状态中罐体的运动参数输出给数据输出显示模块和液体晃动等效模型模块；
液体晃动等效模型模块再结合预设的液面高度，计算出液体的晃动力，并对液体晃动模拟装置进行控制所述罐体施加所述晃动力；
根据预设的液面高度计算出液体的重量，通过静载荷模拟装置对罐体施加向下载荷以模拟该重量；
通过数据采集卡实时采集力传感器、倾角传感器以及加速度传感器的参数，反馈给液罐车动力学仿真模型模块，结合方向盘转角、油门踏板位移和制动踏板位移信号，进行液罐车动力学响应仿真运算，构成闭环耦合。
4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，液体晃动等效模型模块中液体晃动等效模型采用弹簧—质量—阻尼***；其中，mi、ki、ci、zi分别为第i阶液体晃动等效质量、弹簧刚度、阻尼系数、等效质量至预设的液面的距离，m0为等效固定质量块的质量，I0为等效固定质量块对自己质心的转动惯量，z0为固定质量块至预设的液面的距离，zcg为液体质心至预设的液面的距离；
等效模型中各项参数采用公式(1)确定
Figure FDA0003703094180000021
式中ωi为第i阶液体自由晃动特征频率，m为罐体内液体质量，
ai＝ρ∫SrHidS，bi＝ρ∫Σ+SrφidS，μi＝ρ∫SHiφidS，
其中ρ为液体密度，r为罐体半径，S为稳态液面，Σ为罐体湿表面，Hi为第i阶液体晃动波高模态函数，φi为第i阶液体晃动模态函数；
阻尼系数ci由式(2)确定
Figure FDA0003703094180000022
5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，计算不同液面高度罐体内液体的重量，先建立罐体充液坐标系，其中O点为车辆顶部中心点，x轴沿罐体长度方向指向车辆前方，y轴过O点指向罐体一侧，z轴过O点指向车辆上方并通过静止液体质心；定义h为液面高度，h0为液面到xOy平面距离，θ为液面罐体交点和坐标原点的连线与z轴的夹角；定义充液比k为h/r，则θ由式(3)计算：
Figure FDA0003703094180000031
输入罐体半径r、罐体长度L和液面高度h，通过公式(4)计算出不同液面高度罐体内液体的重量：
Figure FDA0003703094180000032
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，试验时，根据液面高度h的预设值，求得罐体内液体的重量后，通过静载荷油缸对罐体施加向下载荷模拟罐体内液体的重量；静载荷油缸压力由公式(5)确定
P＝m/A (5)
式中，A为静载荷油缸无杆腔活塞面积。
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