汽车罐车作为液体货物道路运输的主体,其在营运性货车中所占的比重呈逐年上升趋势。与此同时,汽车罐车的广泛使用也带来了严重的交通安全问题,造成了人员伤亡、财产损毁、环境污染等。统计调查发现,单车侧翻是最主要的汽车罐车交通事故类型,而高速公路弯道路段是最易发生单车侧翻的路段。针对这一现象的研究分析表明,液体易于流动的特性和车辆运行状态的改变使得非满载罐体内的液体在外力作用下冲击罐体壁面,产生变化的动态负载,致使侧翻力矩增加,极大地降低了车辆的侧向稳定性。受流体特殊物理属性的制约,传统的充液系统内液体冲击动力学特性的研究方法不便于流动控制方程与车辆动力学模型的耦合。这使得汽车罐车的动力学分析多依赖具有数值求解功能的多体动力学分析软件进行,严重制约了研究成果在车辆主动安全系统设计、操纵稳定性性能评估等方面的应用。若能使用合适的机械模型描述罐体内的液体冲击,并使机械模型具有与液体冲击相同的力学特性,就能将流体动力学问题转换成机械运动问题,进而解决了液体冲击与车辆运动耦合困难以及汽车罐车行驶稳定性解析求解的问题。为此,本文使用“机械学”的思想“动力学等效”的描述非满载罐体内的液体冲击,最终实现了以解析形式进行汽车罐车的行驶稳定性分析。论文主要研究工作和成果如下:1.非满载罐体内液体冲击动力学特性的分析以及流动参数的采集。首先,运用流体动力学理论对非满载罐体内的液体冲击进行了理论抽象,明确了汽车罐车运载货物的介质模型以及罐体内液体冲击的流动模型,据此建立了流动的控制方程组,并根据实际的货物装载及运输要求等确定了控制方程组的初始和边界条件。然后,分析了计算流体力学求解流动问题的方法和步骤,确定了罐体内液体冲击FLUENT软件求解的仿真设置,并依据相似原理和相似准则构建了比例缩小的仿真模型。最后,利用FLUENT仿真获得了不同充液比和侧向激励条件下的液体冲击的实际流动参数。2.罐体内液体冲击主导模态的提取。利用傅里叶变换对FLUENT仿真获得的流动参数进行了频域分析,明确了液体冲击的频率组成以及信号幅值的大小。在此基础上,进一步利用ANSYS对流动参数进行了模态分析,获得了主要频率信号的模态振型。通过各阶频率信号的模态振型分析,确定了罐体内液体冲击的主导模态,获得了非满载罐体内的液体冲击可用液体质心的运动近似代替的重要结论。3.罐体内液体冲击的准静态分析。基于液体冲击的主导模态分析结果,利用液体质心从准静态的角度对罐体内的液体冲击进行了估计,获得了冲击强度和液体质心的运动轨迹;进一步地,结合实际的液体冲击仿真结果,分析了准静态估计值和实际冲击效果间的关系,验证了液体冲击准静态估计方法的有效性。液体冲击的准静态分析进一步验证了非满载罐体内的液体冲击可用液体质心的运动近似代替的结论,并获得了不同侧向激励调价下的、指定罐体内的液体质心运动轨迹,为等效机械模型的构建打下了基础。4.非满载罐体内液体冲击等效机械模型的构建。利用力学等价原理、相似理论和量纲分析等,探究了液体冲击向机械运动等效转换的机理,明确了等效机械模型的构建原则。在此基础上,结合液体冲击的准静态分析结果以及液体质心的运动轨迹特征,构建了描述非满载罐体内液体冲击的椭圆规钟摆模型,并借助拉格朗日方程推导了钟摆模型在惯性坐标系和非惯性坐标系下的运动微分方程。最后,利用MATLAB求解了惯性坐标系下的钟摆运动微分方程,获得了钟摆模型在不同摆角下的运动特征,明确了论文研究范围内的钟摆运动特征。5.液体冲击等效机械模型的参数推导及求解。依据钟摆运动和液体冲击之间的力学等效原则,结合椭圆规钟摆模型的运动方程,确定了钟摆模型的待求参数,并推导了模型参数的函数关系式。在此基础上,利用FLUENT仿真获得了不同充液比和侧向激励条件下的空间点流速和液体冲击力,并利用数据拟合的方法获得了钟摆模型参数关于罐体形状、充液比和液体物理属性之间的多项式函数。最后,借助液体冲击绕罐体最低点的力矩验证了钟摆模型参数的多项式函数的有效性和正确性。6.基于液体冲击等效机械模型的汽车罐车行驶稳定性研究。基于构建的液体冲击等效机械模型,分析了液体冲击与车辆运动的耦合因素,建立了汽车罐车整车动力学模型,并推导了液体货物关于车辆固定坐标系的转动惯量。使用MATLAB对建立的车辆动力学模型进行了仿真求解,分析了汽车罐车的行驶稳定性特征,确定了影响车辆行驶稳定性及液体冲击强度的关键因素,得出了提高汽车罐车行驶稳定性的方法。