液體非線性晃動(dòng)數(shù)值研究及其在罐式車輛中的運(yùn)用.pdf

1、液體晃動(dòng)以及液固耦合的相互作用廣泛存在于各種工程領(lǐng)域中。液體的大幅晃動(dòng)通常具有較強(qiáng)的非線性，計(jì)算難度較大。特別的，劇烈晃動(dòng)的液體會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊載荷，進(jìn)而嚴(yán)重地影響充液容器及其相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，甚至可能會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞。因此，關(guān)于液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性的研究具有非常重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。對于罐式汽車而言，其在行駛過程中引發(fā)的液體晃動(dòng)，也會(huì)對車輛的穩(wěn)定性和行駛平順性產(chǎn)生一定的影響。本文主要采用數(shù)值方法研究液體非線性晃動(dòng)以及液固耦合

2、系統(tǒng)的振動(dòng)，并且討論了罐式汽車在運(yùn)動(dòng)過程中的液體晃動(dòng)效應(yīng)。
　　首先，提出了一種改進(jìn)的數(shù)值算法求解二維非線性晃動(dòng)問題。使用σ變換法將流體區(qū)域規(guī)則化，預(yù)測下一時(shí)刻的自由液面并代入到連續(xù)性方程和固壁邊界條件，對于自由液面邊界條件則采用近似代替的方法將其線性化，而方程組最終求出的解將作為下一時(shí)刻自由液面的校正。該方法具有良好的收斂性和穩(wěn)定性，適用于求解帶有運(yùn)動(dòng)邊界的數(shù)學(xué)問題。
　　其次，運(yùn)用該數(shù)值算法求解了液體自由晃動(dòng)，以及容器在

3、水平激勵(lì)和豎直激勵(lì)下的受迫晃動(dòng)三種情況。通過與解析解的比較驗(yàn)證了數(shù)值算法的準(zhǔn)確性。數(shù)值計(jì)算結(jié)果揭示出大幅晃動(dòng)的非線性特征，同時(shí)還探討了激勵(lì)頻率、幅值和初始自由液面等因素變化對非線性效應(yīng)的影響。此外，對于水平激勵(lì)下的受迫晃動(dòng)還進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。
　　第三，構(gòu)造液固耦合系統(tǒng)橫向振動(dòng)和豎直振動(dòng)的力學(xué)模型，提出一種基于前述非線性晃動(dòng)計(jì)算格式的數(shù)值方法來求解液體和固體耦合的動(dòng)力學(xué)方程。對于耦合系統(tǒng)的橫向振動(dòng)，主要研究了自由振動(dòng)以及各階共振

4、情況下的晃動(dòng)非線性效應(yīng)。對于耦合系統(tǒng)的豎直振動(dòng)，討論了振動(dòng)過程中的晃動(dòng)穩(wěn)定性，以及晃動(dòng)非線性因素對容器運(yùn)動(dòng)的作用效果。
　　最后，以罐式汽車為實(shí)際對象，研究了液體晃動(dòng)對于車輛制動(dòng)性和行駛平順性的影響。采用數(shù)值方法計(jì)算了罐車制動(dòng)時(shí)引起的自由液面運(yùn)動(dòng)和罐體所受的晃動(dòng)力，同時(shí)討論了不同加速度和充液率條件下的晃動(dòng)力變化規(guī)律以及非線性效應(yīng)。建立1/4罐式車輛模型，計(jì)算了該模型在路面隨機(jī)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果顯示罐體的加速度功率譜可以分解