叉車油箱油液晃動(dòng)分析研究

撰文/杭叉集團(tuán)股份有限公司 徐征宇 李元松西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院 劉軍

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叉車油箱油液晃動(dòng)分析研究

撰文/杭叉集團(tuán)股份有限公司 徐征宇 李元松
西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院 劉軍

為了研究叉車在不同運(yùn)動(dòng)工況時(shí)油箱油液的晃動(dòng)狀態(tài)，本文首先對(duì)某型叉車油箱進(jìn)行了幾何模型的簡(jiǎn)化，建立油液初始體積并利用ICEM軟件對(duì)油液進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，設(shè)置啟動(dòng)、剎車、顛簸和轉(zhuǎn)彎四種工況下的邊界條件及求解參數(shù)；計(jì)算得到油液在這四種工況下的晃動(dòng)狀態(tài)。最后，選取燃油運(yùn)動(dòng)時(shí)渦的矢量質(zhì)量平均和速度的矢量質(zhì)量平均來(lái)刻畫油箱里燃油的渦強(qiáng)度。分析結(jié)果表明，渦強(qiáng)大的地方、時(shí)刻，速度場(chǎng)也較大，油箱需要進(jìn)行加固密封。

一、引言

叉車是一種工業(yè)搬運(yùn)車輛，是指對(duì)成件托盤貨物進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸作業(yè)的各種輪式搬運(yùn)車輛，被廣泛應(yīng)用于港口、車站、機(jī)場(chǎng)、貨場(chǎng)、工廠車間、倉(cāng)庫(kù)、流通中心和配送中心等。在剎車、轉(zhuǎn)彎、啟動(dòng)以及凹凸不平的路面上顛簸行駛過(guò)程中，燃油在油箱里會(huì)因?yàn)閼T性的作用出現(xiàn)晃動(dòng)的現(xiàn)象，由于燃油的粘性較大，以及行駛過(guò)程中加速度的變化幅度較大，會(huì)引起整車的重心不穩(wěn)，在現(xiàn)有的試驗(yàn)手段中，對(duì)油箱內(nèi)傳感器受到的沖擊力大小很難測(cè)定。油箱在液壓系統(tǒng)中除了儲(chǔ)油外，還起著散熱、分離油液中的氣泡、沉淀雜質(zhì)等作用。所以油箱設(shè)計(jì)就要考慮多個(gè)因素的影響，比如晃動(dòng)帶來(lái)的油箱中燃油氣泡增加、燃油與油箱壁之間的摩擦引起的靜電效應(yīng)和熱效應(yīng)、燃油由于晃動(dòng)而產(chǎn)生的噪音，燃油晃動(dòng)與油箱壁之間的耦合作用引起的油箱結(jié)構(gòu)疲勞等。燃油長(zhǎng)此以往沖擊油箱體，產(chǎn)生應(yīng)力作用，不可避免地對(duì)固定箱體的支架、緊固件造成影響，數(shù)年之后極可能造成油箱體固定問(wèn)題，這也是重大安全隱患。所以油箱的設(shè)計(jì)在整個(gè)叉車燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中處于很重要的位置。

液體的晃動(dòng)特性是由貯箱的幾何形狀、內(nèi)部構(gòu)件（是否有防晃板、防晃板的形狀、數(shù)量及位置等）、液體充裝高度和外在激勵(lì)決定的。研究液體晃動(dòng)問(wèn)題的方法可以歸納為解析方法、試驗(yàn)方法和數(shù)值方法三種。解析方法適用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，小幅晃動(dòng)問(wèn)題，適用性有限。試驗(yàn)方法適用性廣，但是成本高。數(shù)值算法計(jì)算速度快，耗費(fèi)人力物力少，得到的信息豐富，是目前晃振研究的主要手段。目前主要的數(shù)值研究方法有：Lagrangian、Eulerian、ALE和SPH法四種。

Lagrangian法將流體簡(jiǎn)化為有一定體積的拉格朗日固體，利用接觸算法模擬流體與固體之間的相互作用。物質(zhì)的扭曲將導(dǎo)致計(jì)算網(wǎng)格的畸形，導(dǎo)致計(jì)算失敗。Eulerian 法采用歐拉單元模擬流體流動(dòng)。歐拉單元實(shí)際上就是一個(gè)固定的參考系，在物體的變形過(guò)程中保持不變，材料可以在歐拉單元內(nèi)流動(dòng)。任意拉格朗日-歐拉耦合方法又稱為ALE方法，采用歐拉法描述流體，采用任意拉格朗日-歐拉耦合方法模擬流體與固體結(jié)構(gòu)之間的相互作用。通過(guò)歐拉單元內(nèi)部的流體對(duì)流場(chǎng)邊界的作用力模擬流體對(duì)拉格朗日單元的作用，同時(shí)根據(jù)拉格朗日單元的變形情況修正流場(chǎng)邊界的位置和形狀。SPH方法作為一種純拉格朗日性質(zhì)的無(wú)網(wǎng)格粒子自適應(yīng)算法，主要用于處理大變形如波浪破碎、翻卷，爆炸、跟蹤運(yùn)動(dòng)界面或者自由表面等問(wèn)題。綜上，為了更好地模擬液面晃動(dòng)以及油液與油箱之間的耦合作用，任意拉格朗日/歐拉耦合方法開(kāi)展燃油箱液固耦合分析。該方法采用Lagrange單元模擬油箱結(jié)構(gòu)、Euler單元模擬油箱內(nèi)部燃油，通過(guò)Coupling來(lái)描述Lagrange結(jié)構(gòu)單元與Euler流體單元之間傳遞的載荷。

二、計(jì)算方法

1.數(shù)模簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分

本文涉及的叉車油箱的三維數(shù)模在叉車設(shè)計(jì)部門專業(yè)的三維繪圖軟件中完成，然后導(dǎo)出成IGES格式的文件，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件Workbench的幾何模型處理模塊DesignModeler，顯示叉車油箱的三維數(shù)模如圖1所示。模型中共有11個(gè)體，較為復(fù)雜。首先，需要進(jìn)行幾何模型的清理，這里的清理主要分為以下幾個(gè)方面：（1）有些體對(duì)油箱油液晃動(dòng)分析的影響不大，但是其參與計(jì)算時(shí)會(huì)使計(jì)算網(wǎng)格復(fù)雜化，計(jì)算量大大增加，此時(shí)可以將其刪除；（2）將小體積的體刪除后，某些大的部件上留有小的孔洞，網(wǎng)格劃分時(shí)會(huì)在這些小的孔洞周圍產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)格，使計(jì)算模型復(fù)雜化，而這些孔洞對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，所以，幾何模型修復(fù)時(shí)應(yīng)該將這些小的孔洞進(jìn)行填充；（3）模型上存在一些倒角，倒角的存在也會(huì)使網(wǎng)格復(fù)雜化，此時(shí)應(yīng)該對(duì)所有的倒角進(jìn)行修復(fù)，使其修復(fù)成夾角；（4）模型的一些面有碎面和不規(guī)則的地方也需要修復(fù)，這部分工作量相當(dāng)大。修復(fù)后的幾何模型如圖2所示。

將準(zhǔn)備好的幾何模型導(dǎo)入ICEM里面去，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共計(jì)劃分361塊，單元格數(shù)為：279077個(gè)。劃分完后利用里面的檢查和光滑工具進(jìn)行光華處理。然后輸出Fluent格式網(wǎng)格文件。劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

2.四種工況分析

本文選取油箱油液為研究對(duì)象，分析啟動(dòng)、剎車、顛簸和拐彎四種具有代表性的工況條件下油液晃動(dòng)狀態(tài)，給郵箱的設(shè)計(jì)和密封給出參考性的意見(jiàn)。油箱晃動(dòng)屬于兩相流的耦合問(wèn)題，燃油和空氣在外部激勵(lì)下進(jìn)行的晃動(dòng)也是耦合問(wèn)題研究的重點(diǎn)。本研究采用的物理模型如下：

采取N-S方程模型：

湍流模型選取k-ε：

兩相流VOF模型：

其中，q和p表示兩相，mpq表示從p相傳遞到q相的質(zhì)量。αq則表示該相的體積分?jǐn)?shù)。

（1）啟動(dòng)工況分析。

利用加速度計(jì)實(shí)測(cè)叉車運(yùn)動(dòng)時(shí)油箱的加速度情況，測(cè)量時(shí)，將加速度計(jì)固定于油箱不同位置，測(cè)量四種不同工況下叉車油箱的運(yùn)動(dòng)加速度，其中靜止啟動(dòng)工況下的加速度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)工況時(shí)的加速度變化圖

根據(jù)計(jì)算的需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，在加速度峰值左右各選取1.25秒，計(jì)算時(shí)間為2.5秒，將其加速度簡(jiǎn)化為線性。當(dāng)時(shí)間小于0.5s時(shí)，三個(gè)方向的速度都為零，只是將加油和出油管道中充滿液壓油；此后開(kāi)始定義運(yùn)動(dòng)速度，x方向?yàn)榉侵饕\(yùn)動(dòng)方向，定義一個(gè)簡(jiǎn)諧的晃動(dòng)，其基本公式為：

X=R*COS(W*T+A)

V=-W*R*SIN(W*T+A)

a= -W2*R*COS(W*T+A)

取加速度為3.2m/s2，周期為1s，則角頻率為2*pi，計(jì)算的最大位移R為0.081m；y方向速度一直為零；z向前進(jìn)方向?yàn)橹饕\(yùn)動(dòng)方向，由于在計(jì)算的時(shí)候UDF中無(wú)法定義加速度，因此按照不同的時(shí)間段分別定義一個(gè)速度，在0.5～2.5s的范圍內(nèi)分為十個(gè)時(shí)間段，以z向最大加速度4.3為中點(diǎn)各向兩邊取1.0s，前一秒為加速運(yùn)動(dòng)，后一秒為減速運(yùn)動(dòng)，從0開(kāi)始進(jìn)行速度累積。從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5： u= -0.51*sin(2.0*3.1415926* (t-0.5)) w=0.0；

0.5＜ t ＜=0.7： w =3.31*(time-0.5)；

0.7＜ t ＜=0.9： w =0.662+3.53*(t-0.7)；

0.9＜ t ＜=1.1： w =1.368+3.75*(t-0.9)；

1.1＜ t ＜=1.3： w =2.118+3.97*(t-1.1)；

1.3＜ t ＜=1.5： w =2.912+4.19*(t-1.3)；

1.5＜ t ＜=1.7： w =3.75+4.19*(t-1.5)；

1.7＜ t ＜=1.9： w =4.588+3.97*(t-1.7)；

1.9＜ t ＜=2.1： w =5.382+3.75*(t-1.9)；

2.1＜ t ＜=2.3： w =6.132+3.53*(t-2.1)；

2.3＜ t ＜=2.5： w =6.838+3.31*(t-2.3)；

（2）剎車工況分析。

當(dāng)時(shí)間小于0.5s時(shí)，z向速度為7.05m/s，其余方向的速度都為零，將加油和出油管道中充滿液壓油；x方向按照起動(dòng)工況的狀態(tài)定義一個(gè)左右晃動(dòng)，加速度為3.7m/s2，此時(shí)為前進(jìn)方向加速度最大時(shí)的取值；y方向速度一直為零；z向前進(jìn)方向?yàn)橹饕\(yùn)動(dòng)方向，由于在計(jì)算的時(shí)候UDF中無(wú)法定義加速度，因此按照不同的時(shí)間段分別定義一個(gè)速度，在0.5～2.5s的范圍內(nèi)分為十個(gè)時(shí)間段，以z向最大加速度5.26為中點(diǎn)各向兩邊取1.0s，前一秒為緩慢減速運(yùn)動(dòng)，后一秒為急劇減速運(yùn)動(dòng)，迅速減速為0，整個(gè)過(guò)程7.05開(kāi)始進(jìn)行速度累積。計(jì)算時(shí)間為2.5秒，將其加速度簡(jiǎn)化為線性。從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5 u=0

0.5＜ t t= -0.589*sin (2.0*3.1415926*(ti-0.5))，Velocity [2] =7.05；

0.5＜ t ＜=0.7： w =7.05-3.85*(t-0.5)；

0.7＜ t ＜=0.9： w =6.28-4.15*(t-0.7)；

0.9＜ t ＜=1.1： w =5.45-4.45*(t-0.9)；

1.1＜ t ＜=1.3： w =4.56-4.75*(t-1.1)；

1.3＜ t ＜=1.5： w =3.61-5.05*(t-1.3)；

1.5＜ t ＜=1.7： w =2.6-4.68*(t-1.5)

1.7＜ t ＜=1.9： w =1.664-3.64*(t-1.7)

1.9＜ t ＜=2.1： w =0.936-2.6*(t-1.9)

2.1＜ t ＜=2.3： w =0.416-1.56*(t-2.1)

2.3＜ t ＜=2.5： w =0.104-0.52*(t-2.3)

（3）顛簸工況分析。

當(dāng)時(shí)間小于0.5s時(shí)，三個(gè)方向的速度都為零，只是將加油和出油管道中充滿液壓油；x方向按照起動(dòng)工況的狀態(tài)定義一個(gè)左右晃動(dòng)，加速度為3.05m/s2；y向定義一個(gè)半周期的余弦顛簸，加速度為2.8m/s2；z向給定恒定速度4.0m/s。計(jì)算時(shí)間為2.5秒，從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5， t＜=0.5 u=0.0

u=velocity [0] = -0.485*sin (2.0*3.1415926*(time-0.5))

Velocity [2] =0.0；

1.25＜t＜=1.75：w =-0.446* cos (4.0*3.1415926*(t-1.25))；

其余時(shí)間：v=0.0； w=4。

（4）拐彎工況分析。

當(dāng)時(shí)間小于0.5s時(shí)，三個(gè)方向的速度都為零，只是將加油和出油管道中充滿液壓油；時(shí)間大于0.5s時(shí)，定義數(shù)值方向Y為轉(zhuǎn)向軸，角加速度為1.122，在1.4s內(nèi)轉(zhuǎn)向大約90度，初始時(shí)定義前進(jìn)方向z向速度為6.3，按照加速度為4.5勻減速，同時(shí)x方向按照同樣的加速度勻加速。計(jì)算時(shí)間為2.5秒，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸，從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5： w=0.0；

0.5＜ t ＜=0.7： w =1.0+2.25* (t-0.5)；

0.7＜ t ＜=0.9： w =1.45+2.75* (t-0.7)；

0.9＜ t ＜=1.1： w =2.0+3.25* (t-0.9)；

1.1＜ t ＜=1.3： w =2.65+3.75* (t-1.1)；

1.3＜ t ＜=1.5： w =3.4+4.25* (t-1.3)；

1.5＜ t ＜=1.7： w =4.25+4.25* (t-1.5)

1.7＜ t ＜=1.9： w =5.1+3.75* (t-1.7)

1.9＜ t ＜=2.1： w =5.85+3.25*(t-1.9)

2.1＜ t ＜=2.3： w =6.5+2.75*(t-2.1)

2.3＜ t ＜=2.5： w=7.05+2.25*(t-2.3)

三、計(jì)算結(jié)果

在啟動(dòng)、剎車、顛簸和轉(zhuǎn)彎等四種情況下，分別對(duì)油箱中燃油的晃動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值分析研究，在啟動(dòng)、制動(dòng)及顛簸時(shí)燃油在慣性力的作用下晃動(dòng)，但是晃動(dòng)的幅度不同，而轉(zhuǎn)彎時(shí)同時(shí)受到切向力和徑向慣性離心力的作用。制動(dòng)時(shí)油箱燃油前后來(lái)回晃動(dòng)，隨著壁面摩擦的作用液面逐漸趨于平靜。顛簸行駛時(shí)油箱內(nèi)燃油開(kāi)始便出現(xiàn)了飛濺，隨后主要是上下顛簸晃動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)油箱里面的燃油主要表現(xiàn)為前后晃動(dòng)，拐彎時(shí)油箱里面的燃油出現(xiàn)了外面液面高、內(nèi)面液面低的特點(diǎn)。如圖5所示。

圖5 叉車四種不同工況下油箱油液不同時(shí)刻晃動(dòng)狀態(tài)

叉車在行駛過(guò)程中由于啟動(dòng)、剎車、顛簸和轉(zhuǎn)彎等因素，引起燃油與空氣相互作用，從而形成兩相耦合作用，表現(xiàn)為燃油在油箱里晃動(dòng)。選取渦的矢量質(zhì)量平均和速度矢量的質(zhì)量平均來(lái)刻畫油箱里燃油的渦強(qiáng)度，如圖6和圖7所示，可以看到啟動(dòng)和剎車過(guò)程燃油的渦強(qiáng)度變化是相反的，制動(dòng)過(guò)程燃油的渦強(qiáng)度由大變小，而啟動(dòng)過(guò)程燃油的渦強(qiáng)度由小變大，叉車在轉(zhuǎn)彎和顛簸行駛時(shí)燃油的渦強(qiáng)度都在一定范圍內(nèi)變化。

圖6 四種工況渦量平均值隨時(shí)間變化

圖7 四種工況速度平均值隨時(shí)間變化

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算揭示了在制動(dòng)、顛簸、啟動(dòng)和轉(zhuǎn)彎等四種情況下，叉車油箱里燃油和空氣兩相物質(zhì)之間的耦合作用物理規(guī)律：（1）在四種工況中都能夠引起油箱內(nèi)燃油的晃動(dòng)；（2）計(jì)算時(shí)采用了軟件中有限體積法捕捉兩相流的界面；（3）燃油渦強(qiáng)大的地方、時(shí)刻，速度場(chǎng)也較大，需要加固密封，同時(shí)相圖分析表明部分工況在某些時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)油液飛濺的現(xiàn)象，應(yīng)該在這些地方注意密封等措施；（4）由于切向力和徑向慣性離心力的作用，制動(dòng)時(shí)油箱里面的燃油前后來(lái)回晃動(dòng)，隨著壁面摩擦的作用液面逐漸趨于平靜。

油箱燃油晃動(dòng)問(wèn)題研究是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)分析過(guò)程，涉及到計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)，計(jì)算流體力學(xué)等，從工程的運(yùn)用實(shí)踐來(lái)看，仿真計(jì)算在研究油液晃動(dòng)問(wèn)題時(shí)越來(lái)越顯示出其獨(dú)特的作用和功能。