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液体非线性晃动数值研究及其在罐式车辆中的运用
| 论文题名： | 液体非线性晃动数值研究及其在罐式车辆中的运用 |
| 关键词： | 罐式汽车;液体晃动;液固耦合;运行稳定性;行驶平顺性 |
| 摘要： | 液体晃动以及液固耦合的相互作用广泛存在于各种工程领域中。液体的大幅晃动通常具有较强的非线性，计算难度较大。特别的，剧烈晃动的液体会产生很大的冲击载荷，进而严重地影响充液容器及其相关系统的运动稳定性，甚至可能会造成系统结构的破坏。因此，关于液体晃动动力学特性的研究具有非常重要的理论意义和实际价值。对于罐式汽车而言，其在行驶过程中引发的液体晃动，也会对车辆的稳定性和行驶平顺性产生一定的影响。本文主要采用数值方法研究液体非线性晃动以及液固耦合系统的振动，并且讨论了罐式汽车在运动过程中的液体晃动效应。 首先，提出了一种改进的数值算法求解二维非线性晃动问题。使用σ变换法将流体区域规则化，预测下一时刻的自由液面并代入到连续性方程和固壁边界条件，对于自由液面边界条件则采用近似代替的方法将其线性化，而方程组最终求出的解将作为下一时刻自由液面的校正。该方法具有良好的收敛性和稳定性，适用于求解带有运动边界的数学问题。 其次，运用该数值算法求解了液体自由晃动，以及容器在水平激励和竖直激励下的受迫晃动三种情况。通过与解析解的比较验证了数值算法的准确性。数值计算结果揭示出大幅晃动的非线性特征，同时还探讨了激励频率、幅值和初始自由液面等因素变化对非线性效应的影响。此外，对于水平激励下的受迫晃动还进行了相关实验研究。 第三，构造液固耦合系统横向振动和竖直振动的力学模型，提出一种基于前述非线性晃动计算格式的数值方法来求解液体和固体耦合的动力学方程。对于耦合系统的横向振动，主要研究了自由振动以及各阶共振情况下的晃动非线性效应。对于耦合系统的竖直振动，讨论了振动过程中的晃动稳定性，以及晃动非线性因素对容器运动的作用效果。 最后，以罐式汽车为实际对象，研究了液体晃动对于车辆制动性和行驶平顺性的影响。采用数值方法计算了罐车制动时引起的自由液面运动和罐体所受的晃动力，同时讨论了不同加速度和充液率条件下的晃动力变化规律以及非线性效应。建立1/4罐式车辆模型，计算了该模型在路面随机激励下的动态响应。计算结果显示罐体的加速度功率谱可以分解为线性和非线性两个频率成分。此外，对于防波板的晃动抑制作用以及车辆的平顺性优化方法也进行了一定的分析。 |
| 作者： | 张海涛 |
| 专业： | 机械制造及其自动化 |
| 导师： | 孙蓓蓓 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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