考慮物性變化的油氣懸架兩相流力學(xué)特性研究

鄧佩瑤 谷正氣,2 張 沙 馬驍骙

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,4100822.湖南文理學(xué)院洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展省級協(xié)同創(chuàng)新中心,常德,415000

考慮物性變化的油氣懸架兩相流力學(xué)特性研究

鄧佩瑤1谷正氣1,2張 沙1馬驍骙1

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,4100822.湖南文理學(xué)院洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展省級協(xié)同創(chuàng)新中心,常德,415000

為精確研究油氣懸架力學(xué)特性，考慮了油氣不分離式油氣懸架工作過程中，由高壓工作環(huán)境導(dǎo)致的氣體溶解與油液密度等物理特性變化對其力學(xué)特性的影響。通過用戶自定義函數(shù)，一方面在VOF兩相流模型中添加質(zhì)量源項(xiàng)，另一方面對油液密度變化進(jìn)行動態(tài)定義，建立了考慮油氣懸架物理特性變化的精確兩相流模型，分析了油氣懸架力學(xué)特性。進(jìn)行了整車隨機(jī)道路試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中對油氣懸架上下支點(diǎn)加速度信號進(jìn)行監(jiān)測，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在ADAMS中建立了懸架虛擬試驗(yàn)臺，以驗(yàn)證所建精確兩相流模型的精確性，結(jié)果表明精確模型的仿真精度相較于未考慮物理特性變化的原始VOF模型的仿真精度提高了10%。

油氣懸架；用戶自定義函數(shù)；氣體溶解；油液密度；虛擬試驗(yàn)臺

0 引言

油氣懸架具有非線性彈性性能和減振性能，能有效緩解地面對車輛的沖擊，被廣泛運(yùn)用在工程車輛中。DUYM等[1]分析了幾種不同類型油氣懸架的數(shù)學(xué)模型；ROGER等[2]建立了非公路車輛主動懸架7自由度模型，并優(yōu)化了其行駛平順性；仝軍令等[3]建立了油氣懸架系統(tǒng)2自由度1/4車輛模型，仿真研究了油氣懸架主要參數(shù)變化對懸架系統(tǒng)性能及車輛平順性的影響；田玲玲等[4]采用三次多項(xiàng)式擬合了礦用自卸車油氣懸架特性曲線并對其進(jìn)行了優(yōu)化；黃夏旭等[5]分析了氣體溶解對系統(tǒng)內(nèi)部壓力變化的影響。徐亞[6]利用VOF(volume of fluid)模型建立了礦用自卸車油氣懸架流場模型；趙敬凱等[7]在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式中考慮了油氣懸架流道局部阻力，并用油氣懸架兩相流場模型驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。上述研究中大多是基于小孔理論建立油氣懸架數(shù)學(xué)模型分析其力學(xué)特性，或者是忽略了油氣懸架流體在高壓環(huán)境中的物理特性變化。

本文結(jié)合以上學(xué)者的研究成果，遵循油氣懸架流場建模的思路，考慮氣體溶解與油液密度變化對懸架性能的影響，一方面在VOF模型中加載質(zhì)量源項(xiàng)，另一方面對油液密度進(jìn)行動態(tài)定義，通過UDF(user defined function)編制程序建立油氣懸架精確兩相流模型,并進(jìn)行了整車道路平順性試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中監(jiān)測懸架上下支點(diǎn)加速度信號，利用ADAMS，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了油氣懸架虛擬試驗(yàn)臺，驗(yàn)證了所建精確兩相流模型的精確性。

1 油氣懸架結(jié)構(gòu)與原理

礦用自卸車油氣懸架結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，缸筒、活塞桿及活塞組件、阻尼孔、單向閥是組成單氣室油氣懸架的主要部件。懸架缸內(nèi)形成兩個(gè)腔——工作腔(Ⅰ腔)和環(huán)形腔(Ⅱ腔)。Ⅰ腔上部充滿氮?dú)?，Ⅰ腔下部與Ⅱ腔充入油液。當(dāng)懸架處于壓縮行程時(shí)，Ⅰ腔中氮?dú)獾捏w積減小，壓強(qiáng)增大，產(chǎn)生較大的剛度力，以抵抗車身高度變化。油液由Ⅰ腔通過阻尼孔和單向閥流向Ⅱ腔，產(chǎn)生的阻尼力較?。划?dāng)懸架處于拉伸行程時(shí)，氮?dú)獾捏w積增大，壓強(qiáng)減小，此時(shí)單向閥關(guān)閉，油液由Ⅱ腔通過阻尼孔流向Ⅰ腔，產(chǎn)生較大的阻尼力，以緩解沖擊、衰減振動。礦用自卸車載重及自重較大，導(dǎo)致油氣懸架內(nèi)部壓力較大，最大能達(dá)到幾十MPa，這樣不僅使懸架內(nèi)部分氣體溶解于油液中，且隨著工作壓力的變化，氣體的溶解度和油液密度也隨之變化。

1.套筒 2.阻尼孔 3.單向閥 4.活塞桿和活塞組件圖1 單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of hydro-pneumatic suspension structure

油氣懸架受到外界激勵時(shí)，輸出力包括彈性力Fk、阻尼力Fc，其數(shù)學(xué)模型[8]為

Fk=p1(A1-A2)

(1)

Fc=(p1-p2)A2

(2)

式中，A1、A2為Ⅰ腔、Ⅱ腔的截面積；p1、p2為Ⅰ腔、Ⅱ腔的壓力。

由式(1)可知，對特定的油氣懸架，其彈性力、阻尼力均由Ⅰ腔、Ⅱ腔的壓力確定。因此，在考慮氣體溶解的基礎(chǔ)上，通過求解Ⅰ腔、Ⅱ腔的壓力就可以得到油氣懸架的輸出力。

2 油氣懸架兩相流模型

2.1加載質(zhì)量源項(xiàng)的VOF模型

VOF模型能高效且準(zhǔn)確地追蹤自由界面，常被用于有明顯交界面且相與相之間無穿插的多相流問題[9]。其連續(xù)性方程為

(3)

ρ=(1-αq)ρp+αqρq

(4)

式中，v為流體速度；為梯度算子；αq、αp分別為q相、p相的體積分?jǐn)?shù)；ρq、ρp分別為q相、p相的密度。

由于礦用自卸車實(shí)際載重及其自重較大，導(dǎo)致油氣懸架內(nèi)部腔體一直處于高壓狀態(tài)。就單氣室油氣不分離式油氣懸架而言，隨著腔體壓力的變化，氣體在油液中的溶解度也隨之變化，即發(fā)生氣體溶解效應(yīng)。在計(jì)算油氣懸架兩相流時(shí)，式(3)所代表的VOF模型連續(xù)性方程具有一定的局限性。因氣體溶解效應(yīng)的存在，等式右邊不再為零，需添加氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng)。修正后的連續(xù)性方程為

(5)

其中，vq為q相的流動速度；mpq為p相到q相的質(zhì)量轉(zhuǎn)移量；mqp為q相到p相的質(zhì)量轉(zhuǎn)移量。動量方程為

(6)

式中，τ為因流體黏性存在而引起的動量方程的源項(xiàng)；p為任意氣體壓力；F為因表面張力和壁面黏附作用引起的動量方程的源項(xiàng);g為重力加速度。

2.2氣體溶解效應(yīng)

氣體溶解到油液中或是油液中溶解的氣體析出，都會對油氣懸架工作過程中氣體對外輸出力即剛度力產(chǎn)生影響。氣體在液體中的溶解度遵循亨利定律，即在一定溫度下，某種氣體在溶液中的濃度與液面上該氣體的平衡壓力成正比[10]。文獻(xiàn)[11]指出，氮?dú)庠谟鸵褐械娜芙饬靠砂纯諝獾?8%進(jìn)行計(jì)算。可得任意氣體壓力p下油液溶解氣體的體積為

(7)

式中，δ0為在氣體壓力p0下空氣在液壓油中的溶解度；VO為油液體積。

由式(7)可得氮?dú)馀c油液的質(zhì)量轉(zhuǎn)移為

(8)

式中，ρg為氮?dú)饷芏取?/p>

氣體的溶解度隨腔體壓力變化而變化，當(dāng)氣體溶解度增大時(shí)，氣體質(zhì)量減少量等于液體質(zhì)量增加量；當(dāng)氣體溶解度減小時(shí)，氣體質(zhì)量增加量等于液體質(zhì)量減少量。

聯(lián)合式(5)、式(8)，編制UDF程序，通過DEFINE_SOURCE宏命令定義氮?dú)馀c油液之間的傳質(zhì)過程，加載到VOF模型中，實(shí)現(xiàn)油氣懸架氣體溶解過程的模擬。定義拉伸行程速度為正，壓縮行程速度為負(fù)。速度分別為-1 m/s、1 m/s時(shí)，加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng)后油氣界面位置對比如圖2、圖3所示。

(a)未加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng) (b)加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng)圖2 相對速度為1 m/s時(shí)懸架兩相流體積分?jǐn)?shù)對比Fig.2 Volume distribution comparison of hydro-pneumatic suspension two-phase flow under the relative velocity of 1m/s

(a)未加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng) (b)加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng)圖3 相對速度為-1 m/s時(shí)懸架兩相流體積分?jǐn)?shù)對比Fig.3 Volume distribution comparison of hydro-pneumatic suspension two-phase flow under the relative velocity of -1 m/s

加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng)前后，油氣懸架拉伸、壓縮行程Ⅰ腔壓力隨缸筒與活塞相對速度變化如表1所示。由式(1)得到油氣懸架計(jì)及氣體溶解前后油氣懸架剛度特性曲線如圖4所示。油氣懸架剛度力在拉伸行程變大，而在壓縮行程變小。這是因?yàn)樵诶煨谐蹋袂粶p小，溶解的氮?dú)鈴挠鸵褐形龀觯獨(dú)赓|(zhì)量增大，壓力隨之增大；而壓縮行程下，Ⅰ腔壓力增大，氮?dú)庠谟鸵褐械娜芙饬吭龃?，氮?dú)赓|(zhì)量減小，壓力隨之減小。

表1 加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng)前后Ⅰ腔壓力對比Tab.1 Pressure comparison of theⅠchamber afteradding the gas dissolving source terms

圖4 加載氣體溶解質(zhì)量源項(xiàng)前后懸架剛度力對比Fig.4 Comparison of suspension stiffness characteristic before and after adding gas dissolving mass source

2.3油液密度變化

在高壓環(huán)境中，由于油液壓縮性的存在，油液的密度隨壓力的變化對油氣懸架阻尼力的影響不可忽略。油氣懸架兩腔壓力差隨油液密度變化的關(guān)系如圖5所示。

圖5 油氣懸架兩腔壓力差隨油液密度變化Fig.5 The pressure difference of two chamber variety with the oil density

假設(shè)溶于油液中的氣體呈溶解狀態(tài)，它對油液的體積彈性系數(shù)和黏度基本不產(chǎn)生影響[12]。油液壓縮時(shí)體積變化為

(9)

式中，KV為油液體積彈性模量。

根據(jù)油液質(zhì)量守恒可得油液密度變化關(guān)系式如下：

(10)

式中，ρ0為油液在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的密度；ρt為油液在任意壓力下的密度。

根據(jù)式(10)，編制UDF程序，利用DEFINE_PROPERTY宏命令定義油液壓縮引起的密度隨壓力變化的過程，計(jì)算由油液可壓縮性引起的油液物理特性變化對油氣懸架減振性能造成的影響。油氣懸架在缸筒和活塞相對拉伸速度和相對壓縮速度為1 m/s時(shí)油氣懸架壓力場的分布如圖6、圖7所示。從圖中可以看出油氣懸架Ⅰ腔壓力無明顯變化，Ⅱ腔壓力在拉伸行程減小，壓縮行程增大。

(a)未計(jì)及油液密度變化 (b)計(jì)及油液密度變化

圖6 相對速度為1 m/s計(jì)及油氣密度變化時(shí)壓力場對比
Fig.6 The pressure field comparison after considering the oil density variety under the relative velocity of 1 m/s

(a)未計(jì)及油液密度變化 (b)計(jì)及油液密度變化

圖7 相對速度為-1 m/s計(jì)及油氣密度變化時(shí)壓力場對比
Fig.7 The pressure field comparison after considering the oil density variety under the relative velocity of -1 m/s

計(jì)及油液壓縮后油氣懸架阻尼特性曲線變化如圖8所示。由圖8可知，油氣懸架阻尼力在拉伸行程變小，而在壓縮行程變大。這是因?yàn)樵谟蜌鈶壹芾煨谐糖粌?nèi)壓力減小，油液密度變小，兩腔壓力差隨之減??；壓縮行程腔內(nèi)壓力增大，油液密度變大，兩腔壓力差隨之增大。

圖8 計(jì)及油液密度變化前后懸架阻尼特性對比Fig.8 The damping characteristic comparison before and after considering the oil density variety

3 油氣懸架精確兩相流模型驗(yàn)證

基于ADAMS/View建立1/4整車油氣懸架模型，該模型能反映油氣懸架的結(jié)構(gòu)特性。結(jié)合FLUENT對油氣懸架力學(xué)特性仿真結(jié)果，建立虛擬的油氣懸架試驗(yàn)臺。通過整車平順性隨機(jī)道路試驗(yàn)，對懸架上下支點(diǎn)的加速度信號進(jìn)行監(jiān)測，將懸架下支點(diǎn)位移監(jiān)測信號積分得到其位移信號，將其作為油氣懸架虛擬試驗(yàn)臺輸入信號，以油氣懸架虛擬實(shí)驗(yàn)臺的輸出信號與懸架上支點(diǎn)的試驗(yàn)信號對比，從而驗(yàn)證油氣懸架精確兩相流模型的準(zhǔn)確性。

3.1整車平順性道路試驗(yàn)

為驗(yàn)證所建油氣懸架兩相流模型的準(zhǔn)確性，對礦用自卸車進(jìn)行整車滿載隨機(jī)道路試驗(yàn)。并在試驗(yàn)過程中，對懸架上下支點(diǎn)的加速度信號進(jìn)行監(jiān)測，懸架上下支點(diǎn)傳感器安裝位置分別如圖9、圖10所示。

圖9 懸架上測點(diǎn)傳感器位置Fig.9 The installation site of acceleration transducer of hydro-pneumatic suspension’s upper fulcrum

圖10 懸架下測點(diǎn)傳感器位置Fig.10 The installation site of acceleration transducer of hydro-pneumatic suspension’s lower fulcrum

本次試驗(yàn)是參照ISO2631標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T490-1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》和QC/T76.8-1993《礦用自卸車試驗(yàn)方法行駛平順性試驗(yàn)》來完成整個(gè)試驗(yàn)過程的。試驗(yàn)車速分別為20 km/h、30 km/h，在試驗(yàn)過程中，車速變化不大于±5%，同時(shí)對每一車速試驗(yàn)重復(fù)三次，結(jié)果取三次試驗(yàn)的平均值。試驗(yàn)加速度信號測量系統(tǒng)框圖見圖11。各車速下，油氣懸架上下支點(diǎn)加速度信號時(shí)域響應(yīng)曲線分別如圖12、圖13所示。

(a)試驗(yàn)速度為20 km/h

(b)試驗(yàn)速度為30 km/h圖12 油氣懸架上支點(diǎn)加速度時(shí)域響應(yīng)曲線Fig.12 Acceleration time domain response curve of hydro-pneumatic suspension’s upper fulcrum

3.2油氣懸架虛擬試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)及模型驗(yàn)證

在不影響油氣懸架力學(xué)特性的前提下，對油氣懸架模型進(jìn)行一定的簡化，基于ADAMS/View建立油氣懸架模型。缸筒與桿筒之間由圓柱副連接，并以Spline曲線的形式導(dǎo)入仿真得到的油氣懸架剛度與阻尼曲線，將油氣懸架桿筒與測試平臺通過點(diǎn)面約束副關(guān)聯(lián)，垂直測試平臺向上的方向?yàn)榧s束副的方向，測試平臺與大地通過移動副連接，約束方向取垂直測試平臺向上，建立的油氣懸架虛擬試驗(yàn)臺如圖14所示。

(a)試驗(yàn)速度為20 km/h

(b)試驗(yàn)速度為30 km/h圖13 油氣懸架下支點(diǎn)加速度時(shí)域響應(yīng)曲線Fig.13 Acceleration time domain response curve of hydro-pneumatic suspension’s lower fulcrum

圖14 油氣懸架虛擬試驗(yàn)臺Fig.14 The virtual experiment platform of hydro-pneumatic suspension

將油氣懸架下支點(diǎn)加速度試驗(yàn)值積分得到其位移信號，以懸架下支點(diǎn)位移信號作為試驗(yàn)平臺輸入信號，通過創(chuàng)建測量函數(shù)，測量懸架上支點(diǎn)加速度信號，將其作為輸出信號與懸架上支點(diǎn)加速度試驗(yàn)值對比，驗(yàn)證懸架模型的準(zhǔn)確性，對比結(jié)果如圖15所示。

各車速下懸架上支點(diǎn)加速度均方根值試驗(yàn)值與仿真值對比如表2所示，可以看出，油氣懸架兩相流精確模型比原始模型精確度提高了10%。

(a)試驗(yàn)車速為20 km/h

(b)試驗(yàn)車速為30 km/h圖15 各車速下油氣懸架上支點(diǎn)加速度時(shí)域響應(yīng)對比曲線Fig.15 The comparison of hydro-pneumatic suspension’s upper and lower fulcrum acceleration response curve between simulation and test under different vehicle velocity

車速(km/h)試驗(yàn)值(m/s2)仿真值(m/s2)原始模型精確模型200.6760.7750.713300.7820.8910.824

4 結(jié)論

(1)利用UDF編制程序，一方面在VOF模型中加載質(zhì)量源項(xiàng)；另一方面，對油液密度進(jìn)行動態(tài)定義，建立了考慮氣體溶解與油液密度變化的懸架兩相流精確模型。

(2)分析油氣懸架兩相流精確模型的非線性力學(xué)特性結(jié)果。相比原懸架模型，剛度力在拉伸行程增大，最大增幅為4.8%，壓縮行程減小，最大減幅為15.0%；阻尼力減小，最大減幅為5.5%，表明物理特性變化對油氣懸架力學(xué)性能的影響不能忽略。

(3)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在ADAMS/View中建立了油氣懸架虛擬試驗(yàn)臺，以懸架下支點(diǎn)加速度信號為輸入，將懸架上支點(diǎn)加速度信號仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，結(jié)果證明基于精確兩相流模型的懸架仿真值相較于原始模型更接近試驗(yàn)值，精確度提高了10%,證明了所建精確兩相流模型的精確性。

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(編輯王艷麗)

ResearchonTwo-phaseFlowMechanicsPropertiesofHydro-pneumaticSuspensionsConsideringPhysicalPropertyVarieties

DENG Peiyao1GU Zhengqi1,2ZHANG Sha1MA Xiaokui1

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha,410082 2.Provincial Collaborative Innovation Center of Construction and Development of the Dongting Lake Ecology and Economy Zone,Hunan University of Arts and Science, Changde，Hunan,415000

In order to study the mechanics properties of a hydro-pneumatic suspension accurately, the influences of the gas dissolving and the density variety of oil on the mechanics properties of hydro-pneumatic due to the high pressure was taken into account. Using the UDF, on the one side, the mass source was added to the model of volume of fluid(VOF), and on the other side, the variety of the density of oil was defined with the varieties of pressures, then a hydro-pneumatic two-phase flow accurate model was established to analyze the mechanics properties of the hydro-pneumatic suspensions. And the vehicle random road experiments were conducted. The acceleration signals of the hydro-pneumatic suspension’s fulcrums up and down were monitored. Based on the experimental data,the hydro-pneumatic suspension virtual experimental platform was established to verified the accuracy of the accurate two-phase flow model. The results show that the accuracy of the accurate model is improved by 10% compare to the original one.

hydro-pneumatic suspension; user defined function(UDF); gas dissolving; oil density; virtual experimental platform

2016-10-31

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA041805)；中央財(cái)政支持地方高校專項(xiàng)資金項(xiàng)目(0420036017)；湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題資助項(xiàng)目(734215002)

O359.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.17.005

鄧佩瑤，女，1994年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。主要研究方向?yàn)橛蜌鈶壹芗罢囆阅芊治?。E-mail：291861164@qq.com。谷正氣，男，1963年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與湖南文理學(xué)院洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展省級協(xié)同創(chuàng)新中心教授、博士研究生導(dǎo)師。張沙，男，1986年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。馬驍骙，男，1988年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。