基于動(dòng)網(wǎng)格模型的座椅碰撞模擬試驗(yàn)臺(tái)彈射裝置動(dòng)力學(xué)研究

上海電科電機(jī)科技有限公司 李懷珍

一、前言

座椅碰撞模擬試驗(yàn)臺(tái)是用來將裝有試驗(yàn)座椅的滑車加速到碰撞前速度（40 ～60km/h）并使之發(fā)生有效碰撞的裝置。加速動(dòng)力系統(tǒng)是碰撞試驗(yàn)臺(tái)的核心部分，也是設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，目前采用的加速裝置有橡皮繩拉伸彈射、液壓蓄能彈射和機(jī)械儲(chǔ)能方式。

氣壓傳動(dòng)是以壓縮空氣為介質(zhì)驅(qū)動(dòng)和控制各種機(jī)械設(shè)備以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程機(jī)械化和自動(dòng)化的一種技術(shù)，是一種低成本的自動(dòng)化技術(shù)，受至工業(yè)界的歡迎，其發(fā)展呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)。然而由于氣壓傳動(dòng)定位精度較差、速度不易控制等原因，在碰撞試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備上一直未見采用氣壓蓄能彈射加速動(dòng)力系統(tǒng)。

在研制頭枕沖擊試驗(yàn)機(jī)的過程中，我們首次采用氣壓蓄能方式完成了試驗(yàn)機(jī)的加速?gòu)椛溥^程。期間，巧妙解決了氣壓傳動(dòng)定位和穩(wěn)速問題，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。因而，在設(shè)計(jì)研制座椅碰撞模擬試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，我們也采用氣壓蓄能彈射完成滑車的加速?gòu)椛溥^程，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的碰撞模擬試驗(yàn)臺(tái)彈射裝置。

圖1 碰撞試驗(yàn)臺(tái)彈射裝置

二、理論基礎(chǔ)

1、流體流動(dòng)的控制方程

非穩(wěn)態(tài)N-S 方程組如下：連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

式中：ijτ為應(yīng)力張量；qj為熱通量向量；H為總焓，即：

上述方程組未知量的數(shù)目多于方程的個(gè)數(shù)，顯然方程組不封閉，必須配合其他方程才能使方程組封閉，進(jìn)行求解，下面介紹湍流模型中需要的方程。

2、湍流模型方程

彈射內(nèi)彈道流場(chǎng)處于高湍流狀態(tài)，RNGk-ε在壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法計(jì)算收斂較快、易收斂，且與廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型比較，RNGk-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。因此，最終確定湍流模型為RNGk-ε模型，在壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

RNGk-ε湍流方程：

式中，kG是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k 的產(chǎn)生項(xiàng)；bG是由于浮力引起的湍動(dòng)能k 的產(chǎn)生項(xiàng)；MY代表可壓湍流中，過度的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；1C ε，C2ε，C3ε是常量；kα，εα是k 方程和ε方程的Prandtl 數(shù)；Sk和Sε是用戶自定義源項(xiàng)。

3、動(dòng)網(wǎng)格更新方法

由于彈射活塞在彈射缸內(nèi)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致彈射缸內(nèi)的計(jì)算區(qū)域也發(fā)生變化，動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)就是為了適應(yīng)計(jì)算區(qū)域的變化新發(fā)展出來的網(wǎng)格技術(shù)。它在每一個(gè)時(shí)間步迭代之前，根據(jù)邊界或物體的運(yùn)動(dòng)、變形更新和重新構(gòu)建計(jì)算域的網(wǎng)格，從而達(dá)到計(jì)算各種非定常的流固耦合、計(jì)算域隨時(shí)間變形變化的問題，主要是通過拉伸，壓縮網(wǎng)格或者增加、減少網(wǎng)格以及局部生成網(wǎng)格來適應(yīng)計(jì)算區(qū)域的改變。動(dòng)網(wǎng)格重新構(gòu)建的計(jì)算方法有3 種，即彈性廣順法(spring-base smoothing)、動(dòng)態(tài)層技術(shù)(dynamic layering)和局部網(wǎng)格重劃法(local remeshing)。

彈性廣順法是將網(wǎng)格系統(tǒng)看做是由節(jié)點(diǎn)之間用彈簧相互鏈接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，初始網(wǎng)格就是系統(tǒng)保持平衡的彈簧網(wǎng)格系統(tǒng)。任意一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移都會(huì)導(dǎo)致與之相連的彈簧中產(chǎn)生彈性力，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的力的平衡被打破。由此波及出去，經(jīng)過反復(fù)迭代，最終整個(gè)彈簧網(wǎng)格系統(tǒng)達(dá)到新的平衡時(shí)，就可以得到一個(gè)變形后的、新的網(wǎng)格系統(tǒng)。

動(dòng)態(tài)層技術(shù)是根據(jù)邊界的移動(dòng)量動(dòng)態(tài)地增加或減少邊界上網(wǎng)格層的技術(shù)。如圖2 所示，根據(jù)與運(yùn)動(dòng)邊界相鄰的第j層網(wǎng)格的高度（h）可以決定是將該曾網(wǎng)格分割還是將其與第i層合并。在應(yīng)用過程中定義一個(gè)理想高度，當(dāng)網(wǎng)格被拉伸或壓縮的距離超過該高度的α倍時(shí)，增加或者合并網(wǎng)格，α對(duì)拉伸和壓縮網(wǎng)格時(shí)分別稱為切割因子和消亡因子。

圖2 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)示意圖

局部網(wǎng)格重劃法是對(duì)彈性光順法的補(bǔ)充，其基本思路去掉原來網(wǎng)格系統(tǒng)中經(jīng)過彈性光順后得到的歧變網(wǎng)格，在被去掉網(wǎng)格的位置上重新劃分新的網(wǎng)格。

比較以上三種網(wǎng)格更新方法，彈性光順法不適用于大變形情況，當(dāng)計(jì)算區(qū)域變形較大時(shí)，變形后的網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生較大的傾斜變形，使網(wǎng)格質(zhì)量變差，影響計(jì)算精度；動(dòng)態(tài)分層法在生成網(wǎng)格方面具有快速的優(yōu)勢(shì)，但是它要求運(yùn)動(dòng)邊界附近的網(wǎng)格為六面體或楔形，不適于復(fù)雜外形的流場(chǎng)區(qū)域；局部網(wǎng)格重劃法只會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)邊界附近區(qū)域的網(wǎng)格起作用，要求網(wǎng)格為三角形（二維）或四面體（三維）。

三、彈射裝置內(nèi)彈道數(shù)值模擬

1、計(jì)算模型與條件

由于彈射活塞在彈射氣缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線，且位移較大。彈射活塞在彈射缸內(nèi)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致彈射缸內(nèi)的計(jì)算區(qū)域也發(fā)生變化，因此須采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)完成模擬彈射裝置內(nèi)彈道計(jì)算。忽略氣控閥組的影響，則計(jì)算區(qū)域?yàn)閺椛錃飧谉o桿腔區(qū)域，包括儲(chǔ)氣罐、管道部分和彈射氣缸尾部區(qū)域。劃分好的計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖3 計(jì)算模型

采用用戶自定義程序UDF 定義剛體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，UDF程序如下所示：

采用分離隱式算法計(jì)算非穩(wěn)態(tài)彈射過程。

2、數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 位移變化曲線

圖5 速度變化曲線

圖6 加速度變化曲線

綜合以上計(jì)算結(jié)果，可以看出，在彈射缸徑為250mm的情況下，要在0.8Mpa 的壓力下達(dá)到60km/h 的彈射速度，彈射氣缸的最短長(zhǎng)度為3.0m，如圖4、圖5、圖6 所示。

經(jīng)過反復(fù)多次試驗(yàn)，要進(jìn)行49±1km/h 的座椅模擬碰撞試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8、圖9、圖10 所示。

圖7 壓力變化曲線

圖8 位移變化曲線

經(jīng)計(jì)算，彈射裝置的工作壓力與彈射速度之間的關(guān)系如表1 所示，從表中可以看出，隨著壓力的增大，速度的增加趨勢(shì)趨于平緩。

表1 工作壓力與彈射速度關(guān)系

四、結(jié)束語

本文采用CFD 軟件FLUENT 完成了座椅碰撞模擬試驗(yàn)臺(tái)彈射裝置動(dòng)力學(xué)的計(jì)算和分析研究，計(jì)算結(jié)果為座椅模擬碰撞試驗(yàn)臺(tái)彈射裝置的研制提供了較好的參考價(jià)值。