摘要：罐车内液体晃动对罐车产生显著的干扰力、干扰力矩和冲击压力，影响罐车的动力学特性和安全性能。基于势流理论研究了横卧圆柱体罐车不同充液比液体晃动问题，建立了弹簧质量块模型和单摆模型两种等效力学模型，将其加入车辆系统多刚体动力学模型中，研究了罐车的横向动力学和安全性，对比刚体模型结果表明，考虑流固耦合时液体晃动对罐车的运行安全性有不利影响。
关键词：液体晃动；动力学；弹簧-质量模型；单摆模型
液固耦合振动广泛存在于铁路运输中，罐车在运动中与流体晃动相互作用，可能出现车轮脱轨甚至列车倾覆事故[1]。例如2013年10月21日，合肥东站36178次货车5节罐车脱轨，其中3节罐车颠覆倾翻，罐内有毒易燃品“己二腈”有泄漏迹象，铁路部门与公安消防部门全力进行处置。类似事故近年来已发生多起。因此，充液罐车动力学仿真计算的精确度需要提高，特别是罐车内液体非充满状态时，液体的晃动对列车运行平稳性、安全性大有影响[2,3]。
对于液体-罐体系统，当液体完全填充容器时液体可以等效为刚体模型；当液体有较大自由表面时液体产生多个固有频率的晃动，故需要建立新的等效力学模型。可以用线性动力系统来代替液体线性晃动的动态影响[4]，比如弹簧质量系统或单摆系统。本文中罐体由于其强度高变形微小，分析中将其简化为刚体；液体的晃动分别用弹簧质量模型、单摆模型进行等效力学模拟，将流体的影响近似为弹性振动加入动力学仿真模型中，从而实现流体和结构的耦合分析[5]。
1 液体晃动等效力学模型
目前适用于铁路罐车内液体晃动的等效力学模型有弹簧-质量模型、单摆模型两种，而且等效模型的参数仅取决于罐体的形状以及流体的属性。等效力学模型的构建主要基于动态等效，包括构件的力和运动、晃动频率以及质量和惯性参数的类似。
1.1弹簧-质量模型
在小幅晃动[6]的情况下，弹簧-质量模型能够较好地反映出液体晃动的线性特征，图1为液体晃动前两阶模态弹簧-质量模型原理图。
作者：曹玉梦