基于ANSYS汽車洗滌液加注過程問題分析與計(jì)算

王興佳，靳曲，牟文成，趙前程

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于ANSYS汽車洗滌液加注過程問題分析與計(jì)算

王興佳，靳曲，牟文成，趙前程

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章針對(duì)汽車樣車生產(chǎn)過程中或客戶加注洗滌液時(shí)嗆水的問題，在設(shè)計(jì)過程中做了數(shù)據(jù)建模、流體分析與計(jì)算，有效的在設(shè)計(jì)初期規(guī)避洗滌液加注嗆水問題。

洗滌系統(tǒng)；加注口；嗆水；流體仿真；ANSYS

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-121-03

前言

汽車用洗滌系統(tǒng)作為汽車風(fēng)窗洗滌系統(tǒng)的分系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為雨刮系統(tǒng)提供洗滌液，通過噴嘴將洗滌液噴射到風(fēng)擋玻璃上，為雨刮系統(tǒng)提供刮刷環(huán)境。

客戶在洗滌液加注時(shí)，當(dāng)加注方法控制不當(dāng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)加注口嗆水現(xiàn)象；同樣在樣車生產(chǎn)過程中，如洗滌液加注量或者加注速度設(shè)置的不合理同樣會(huì)導(dǎo)致加注嗆水。

在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段，不能對(duì)樣件進(jìn)行測試，不能夠合理的對(duì)加注過程進(jìn)行合理的計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致上述問題，為避免此類問題發(fā)生，本文基于ANSYS中FLUENT模塊對(duì)加注過程進(jìn)行建模和理論計(jì)算，提出導(dǎo)致此問題的幾個(gè)原因，并提出規(guī)避問題原因的方法。

1 加注口嗆水問題原因分析

加注口是洗滌系統(tǒng)的一部分，固定在洗滌液罐及電泵總成上，主要以卡接形式固定，或者注塑一體，加注口總成分為加注口本體、加注口蓋以及固定支架等。加注口主要作用是將洗滌液導(dǎo)入罐體內(nèi)。導(dǎo)致加注口嗆水的原因主要有以下四個(gè)：

1.1 加注口走向

由于加注口設(shè)計(jì)走向彎角較多，導(dǎo)致洗滌液流動(dòng)速度有衰減，造成流入流量與流出流量存在流量差，在一定時(shí)間范圍內(nèi)充滿加注口，導(dǎo)致嗆水。

1.2 加注口孔徑

加注口孔徑過小，導(dǎo)致加注時(shí)帶有加注速度的洗滌液將壓力作用于加注口壁，導(dǎo)致罐內(nèi)氣體不能夠及時(shí)排出，造成加注口嗆水，此時(shí)主機(jī)廠在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在洗滌罐上表面設(shè)計(jì)排氣孔結(jié)構(gòu)。

1.3 加注速度

加注速度過快時(shí)，會(huì)增加加注口相對(duì)的導(dǎo)向，相對(duì)縮小加注口孔徑，同樣導(dǎo)致加注口嗆水，所以主機(jī)廠對(duì)洗滌液的加注量，加注節(jié)拍和加注速度會(huì)有相關(guān)限制。

1.4 加注口容積

存在以上的三個(gè)原因，當(dāng)加注口容積不能滿足加注速度和加注量決定的生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生嗆水。

2 加注口嗆水問題建模與計(jì)算

2.1 當(dāng)前設(shè)計(jì)背景介紹

目前，國內(nèi)洗滌系統(tǒng)主流的設(shè)計(jì)水平主要停留在噴嘴及洗滌泵上，優(yōu)化改進(jìn)方式也主要是針對(duì)噴嘴和電泵問題。對(duì)加注口及管路的理論分析明顯不足，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)修改設(shè)計(jì)、調(diào)整模具或者默認(rèn)的狀態(tài)。造成了很大的成本浪費(fèi)和用戶抱怨。本文提及的問題在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)狀態(tài)未能最終確認(rèn)，所以不能提供樣件；即使提供樣件，如真的存在問題，再做修改會(huì)非常困難。

2.2 ANSYS仿真設(shè)計(jì)優(yōu)勢

ANSYS是一個(gè)大綜合軟件，它包括的FLUENT模塊可以進(jìn)行模擬固體、流體等力學(xué)、熱量、質(zhì)量、磁場等等傳遞守恒計(jì)算，其用途最多的還是固體力學(xué)計(jì)算（應(yīng)力、應(yīng)變、位移等等）；FLUENT做數(shù)值模擬計(jì)算、迭代、后處理軟件，專門應(yīng)用于流體力學(xué)、質(zhì)量、熱量傳遞。

所有的嗆水問題都可以等效于入口流量與出口流量存在差值問題，這個(gè)差值隨時(shí)間增加而增加，當(dāng)這個(gè)差值增加到等于加注口體積時(shí)相等時(shí)，就是我們見到的嗆水現(xiàn)象。本文利用FLUENT模塊的計(jì)算優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出出口速度，就能得到我們想要的單位時(shí)間內(nèi)出口流量。

2.3 加注口建模

加注口總成主要分為三部分：加注口本體、加注口蓋以及支架，如圖1所示：

圖1 加注口結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)某兩款車型進(jìn)行了建模仿真，建模時(shí)要注意整個(gè)數(shù)據(jù)要建立在車身整體坐標(biāo)系下以保證加注方向；在網(wǎng)格劃分前要準(zhǔn)確定義出口和入口截面以保證軟件計(jì)算時(shí)的準(zhǔn)確性，需要提取加注口內(nèi)表面，建模及網(wǎng)格分析如圖2、圖3所示：

圖2 車型1加注口網(wǎng)格

圖3 車型2加注口網(wǎng)格

建立模型時(shí)，需要增加加注槍模型，根據(jù)主機(jī)廠設(shè)置參數(shù)如下：

vin—加注速度；

vout—出口速度；

V—加注容量；

D—加注槍口徑；

D1—加注口出口管徑；

Qin—入口流量；

Qout—出口流量。

其中：v=1.91m/s；V=1.5l；D=10mm。

2.4 加注口出口速度計(jì)算

加注過程為速度流，需要設(shè)置加注速度，設(shè)置好邊界條件及激勵(lì)計(jì)算得出出口速度如下結(jié)果，如圖4、圖5所示：

圖4 車型1分析結(jié)果

圖5 車型2分析結(jié)果

出口速度計(jì)算公式如下：

式中：

vn—區(qū)域n內(nèi)的流體流速；

lnsn—速度vn所占區(qū)域面積的比例。

經(jīng)計(jì)算，車型1出口流速為0.293m/s，車型2出口流速為0.224m/s。

2.5 加注過程出/入口流量差值計(jì)算

加注時(shí)速度是給定的，本文以樣車生產(chǎn)過程為例進(jìn)行計(jì)算，入口流量為：

式中：

Sin—加注槍出口面積。

帶入數(shù)值，計(jì)算得出入口流量車型1和車型2的均為0.00015m3/s。

出口流量計(jì)算為：

式中：

Sout—加注槍出口面積；

帶入數(shù)值，計(jì)算得出出口流量車型1為0.00014m3/s，車型2為0.00011m3/s。

2.6 嗆水時(shí)間計(jì)算

嗆水時(shí)間是加注口體積與出入口流量差的比值。

加注口體積的計(jì)算要借助于CATIA體積測量模塊。

加注嗆水時(shí)間計(jì)算公式如下：

式中：

T嗆水—加注嗆水時(shí)間；

λ—修正系數(shù)（λ≈0.80~0.90）；

V加注口—加注口體積。

經(jīng)計(jì)算兩個(gè)車型的計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1 兩個(gè)車型計(jì)算結(jié)果

從表中可以看出，當(dāng)嗆水時(shí)間大于生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)，能夠滿足生產(chǎn)節(jié)拍并且不會(huì)出現(xiàn)嗆水，車型1能夠很好的滿足生產(chǎn)節(jié)拍，而車型2則會(huì)出現(xiàn)嗆水現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為較好的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，在生產(chǎn)過程中選取樣本，做現(xiàn)場加注實(shí)驗(yàn)。生產(chǎn)線生產(chǎn)加注容量為1.5l，加注時(shí)間為10s，實(shí)驗(yàn)過程如圖6所示：

圖6 加注實(shí)驗(yàn)過程圖

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車型1能較好的完成加注，車型2在5s時(shí)發(fā)生嗆水，只能加注到0.5l，因此需要調(diào)整加注量，或者調(diào)整加注次數(shù)。

受加注口結(jié)構(gòu)影響，洗滌液出口速度較入口加注速度會(huì)有明顯衰減，自然也就產(chǎn)生了單位時(shí)間的流量差，此流量差在固定時(shí)間范圍內(nèi)會(huì)充滿加注口，也就是我們常見到的加注口嗆水現(xiàn)象。

針對(duì)此次分析可知，如可以有效的控制入口與出口的流量差與加注口體積的比例關(guān)系，就可以規(guī)避嗆水現(xiàn)象。所以在設(shè)計(jì)時(shí)我們通常要注意以下四點(diǎn)：

1）在空間允許范圍內(nèi)加注口管徑盡量做大；

2）加注口走向盡量做直，如不能實(shí)現(xiàn)，需要通過加大管徑或者增加導(dǎo)水結(jié)構(gòu)來緩解嗆水問題；

3）加注口體積做大；

4）如加注口管徑過小時(shí)，須在洗滌罐體上表面增加透氣孔。

4 總結(jié)

由于數(shù)學(xué)模型為理想的模型，在實(shí)驗(yàn)過程中受到重力及車身平衡性影響，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)測會(huì)有出入，需要一個(gè)修正系數(shù)來平衡，即便如此，此模型用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)是足夠的，可以用來衡量設(shè)計(jì)的加注口總成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否合理，解決了在設(shè)計(jì)時(shí)沒有實(shí)體樣件做實(shí)驗(yàn)的困擾，同時(shí)能夠明確數(shù)據(jù)優(yōu)化的方向。

Based on Ansys Analysis and Calculation for Car Washing Liquid Filling Process Problem

Wang Xingjia, Jin Qu, Mou Wencheng, Zhao Qiancheng
( Huachen automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

In this paper, we did data modeling, fluid analysis and calculation in the design process for choking water problems when the car production process or customer filling the washing liquid.

The washing system; Washing mouth; Choking water; Fluid simulation; ANSYS

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)19-121-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.041

王興佳，就職于華晨汽車工程研究院。