轎車油箱油液晃動噪聲的仿真研究

□ 祁 濤 □ 朱天楷 □ 朱植永 □ 熊 杰 □ 楊 柳 □ 鄧 娜

東風(fēng)亞普汽車部件有限公司技術(shù)中心 武漢 430056

1 研究背景

汽車油箱作為汽車動力系統(tǒng)的重要組成部分，起存儲燃油并持續(xù)為發(fā)動機(jī)提供燃油的作用。在汽車行駛過程中，由于車速變化，油箱的燃油會在油箱內(nèi)產(chǎn)生晃動，油液撞擊油箱壁或油液相互撞擊飛濺而產(chǎn)生噪聲，影響乘客乘坐汽車的舒適性［1-4］。因此，對油箱內(nèi)油液的晃動情況進(jìn)行仿真，分析油液在汽車行駛過程的流動情況，從而改善油箱結(jié)構(gòu)，使油液晃動產(chǎn)生的噪聲變小，十分有必要。

對于油液晃動噪聲，主要的處理方式有兩種［5-6］：①采用防浪板，主要用于商用車油箱，因?yàn)樯逃密囉拖湓煨秃唵?，具體做法是將防浪板裝在油箱內(nèi)部，把油液分隔成幾部分，從而使油液晃動減小，然而對于塑料油箱，采用此方式，如何將防浪板放入油箱是一個難點(diǎn)；②通過油箱自身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來減小晃動，采用新工藝制作，對油液的晃動起到減緩作用。

以某型轎車油箱為例，采用STAR-CCM+計算流體動力學(xué)（CFD）軟件對油液的晃動進(jìn)行模擬，通過對油箱內(nèi)油液晃動模擬來研究油液在汽車行進(jìn)過程中的流動狀態(tài)。模擬過程為采用目標(biāo)流體體積與網(wǎng)格體積的比值（VOF）模型處理油液與空氣交界的自由液面，液相選取與97號汽油相當(dāng)?shù)幕旌衔镒鳛槠偷某煞?，對油箱及油液加載一個2 s的減速和加速過程，用以研究在此過程中油液在油箱中的晃動情況［7］。采用ACTRAN軟件進(jìn)行油液的晃動噪聲模擬，以STARCCM+軟件模擬出的油箱壁面壓力結(jié)果為輸入條件，最終得到不同振動頻率下油液晃動噪聲值的大小。

2 CFD仿真模型

筆者所使用的油箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于油箱系統(tǒng)的簡化模型。由于油液的晃動噪聲發(fā)生在油箱本體結(jié)構(gòu)上，為了提高分析效率，縮短分析時長，對油箱相關(guān)部分進(jìn)行簡化，去除油箱上表面的管道、與本體連接的注油管和碳管等，僅針對油箱本體內(nèi)部油液的晃動進(jìn)行模擬，油液及空氣的初始分布采用軟件中的VOFWave模型進(jìn)行描述。

▲圖1 油箱結(jié)構(gòu)

模型中所使用油箱網(wǎng)格尺寸為3 mm，網(wǎng)格類型為Trim單元，總體單元數(shù)目為3 754 600。選用條件如下：①VOF模型模擬油箱在汽車行駛過程中加速或減速時由于晃動產(chǎn)生的自由液面；②隱式非定常流動模擬隨時間不斷變化的晃動油液；③Realizable K-ε湍流模型和歐拉多相流模擬晃動時的液相和氣相，考慮重力場對油液晃動的影響。

模擬汽車行駛過程中的加速和減速階段，因?yàn)檫@兩個階段最可能產(chǎn)生油液晃動噪聲。油箱加減速曲線如圖2所示。圖2中：0～0.5 s加載的加速度為負(fù)值，用來模擬汽車在剎車過程中的油液晃動情況；0.5～1.5 s加載的加速度為正值，用來模擬汽車在加速前進(jìn)時的油液晃動情況；1.5～2 s加載的加速度為0，用來模擬汽車勻速前進(jìn)時的油液晃動情況。假設(shè)油箱中只有汽油和空氣兩種物質(zhì)，選取異辛烷和正庚烷混合物作為汽油的成分，其配比與97號汽油相同，不考慮汽油蒸發(fā)產(chǎn)生油蒸氣，兩種物質(zhì)的材料參數(shù)采用軟件自帶的默認(rèn)參數(shù)。

▲圖2 油箱加減速曲線

▲圖3 油箱表面壓力分布云圖

3 油液晃動仿真結(jié)果

對油箱油液為100%額定容積時在0.6 s、0.9 s、1.2 s、1.5 s時的油液晃動分布情況進(jìn)行觀察，當(dāng)油箱運(yùn)動到0.6 s時，油箱處于剎車減速剛結(jié)束、加速剛開始的階段，因此油箱中的油液因速度大于汽車速度而撞向油箱前壁。當(dāng)油箱運(yùn)動到0.9 s時，油箱處于加速度增大的階段，此時油液的速度小于油箱的速度，因此油液從油箱前壁向油箱后壁流動，并有一部分撞擊到油箱頂面。當(dāng)油箱運(yùn)動到1.2 s時，油箱處于加速度減小的階段，此時油液的速度大于油箱的速度，因此油液從油箱后壁向油箱前壁流動。當(dāng)油箱運(yùn)動到1.5 s時，油箱處于勻速運(yùn)動階段，此時油液開始從油箱前壁慢慢向下流動，油液液面恢復(fù)平緩。

圖 3 所示為油箱分別在 0.6 s、0.9 s、1.2 s、1.5 s 時表面的壓力分布云圖。從圖3可以看出，在不同時間時油箱表面的壓力是不同的，將油箱的壓力云圖結(jié)果作為輸入條件，通過ACTRAN軟件可以得到油箱不同頻率下油液晃動而產(chǎn)生的噪聲最大值。

后續(xù)采用相同的模型、相同的加速度邊界條件分別進(jìn)行油液為10%、30%、50%和70%額定容積時的晃動仿真。由于仿真結(jié)果類似，因此不再對其它容積條件下的晃動結(jié)果進(jìn)行論述。

4 油液晃動噪聲仿真模型

油液晃動噪聲仿真模型由油箱、油箱外的空氣及將空氣包圍的無限元組成，如圖4所示。監(jiān)測點(diǎn)位于油箱上表面上方500 mm處。油箱采用殼單元，厚度5 mm，空氣采用流體單元，將油箱外壁包裹起來，空氣模型的外表面采用無限元，用來模擬無反射噪聲。

▲圖4 油液晃動噪聲仿真模型

汽車噪聲評價標(biāo)準(zhǔn)主要為乘客的舒適度［8］，同時，根據(jù)噪聲的傳遞路徑及分析方法［9-11］，考慮將噪聲監(jiān)測點(diǎn)布置在與油箱上表面有500 mm距離的位置，用來模擬在駕駛室中可以感受到噪聲。噪聲分析過程中使用的材料為高密度聚乙烯和空氣，其材料參數(shù)見表1。在進(jìn)行噪聲分析時，將流體分析的結(jié)果轉(zhuǎn)換為ACTRAN軟件的輸入邊界條件，即將油箱表面的壓力時域分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻域分析結(jié)果。

表1 材料參數(shù)

5 油液晃動噪聲仿真結(jié)果

噪聲的評價參考了某企業(yè)油液晃動噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分析選取振動頻率100～1 000 Hz時的噪聲，并輸出在油箱正上方500 mm處監(jiān)測點(diǎn)的結(jié)果，如圖5所示。

從圖5可以看出，在不同容積和不同振動頻率下的油液晃動噪聲值是不同的。容積為10%時，油液晃動噪聲值在不同振動頻率時均為最小。其中：在100～700 Hz范圍內(nèi)，油液晃動噪聲產(chǎn)生的聲壓級均小于30 dB；振動頻率為400 Hz時聲壓級為13.663 dB，是油液晃動產(chǎn)生的噪聲最小值；在700～1 000 Hz范圍內(nèi)，油液晃動噪聲值則有所增大。容積30%與容積10%時油液晃動噪聲值的變化趨勢相近，在低頻部分，噪聲值比較小，而在高頻部分，噪聲則比較大。在容積為50%時，油液晃動噪聲值在50～60 dB之間，高頻部分噪聲值比低頻部分略大，只有700 Hz時的晃動噪聲值較小。容積70%與容積50%時油液晃動噪聲值的變化趨勢相近，但是整體噪聲值更大，并且油液晃動噪聲最大值出現(xiàn)在容積70%時，此時振動頻率為800 Hz，聲壓級為69.188 dB。在容積100%時，油液晃動噪聲值在100～500 Hz范圍內(nèi)不斷增大，而在 500～1 000 Hz范圍內(nèi)則逐漸減小。

▲圖5 油液晃動噪聲頻域分析結(jié)果

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)油箱內(nèi)的油液比較少時，油液晃動噪聲主要在高頻部分，即700 Hz以上；當(dāng)油箱內(nèi)的油液大于額定容積50%時，油液晃動產(chǎn)生的噪聲在不同振動頻率段差別比低容積時變化小，但是整體平均噪聲值更大。此外，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可知，仿真結(jié)果得出的油液晃動噪聲值符合設(shè)計時對噪聲最大值的要求。

6 結(jié)論

通過對油箱進(jìn)行加速和減速過程的模擬，觀察油箱內(nèi)油液的晃動情況及壁面壓力，并通過壁面壓力得到噪聲仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）油液較少時，油液晃動產(chǎn)生的噪聲在高頻段比低頻段更加明顯，而在油液大于額定容積50%時，油液晃動產(chǎn)生的噪聲在各頻率差別較??；

（2）油液晃動的最大噪聲并不是發(fā)生在油液達(dá)到額定容積100%時，而是在油液為額定容積70%，振動頻率為800 Hz時，最大噪聲值為69.188 dB，模擬結(jié)果滿足設(shè)計對噪聲值的要求；

（3）可以考慮改變油箱上下表面結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加凹陷或者凸起區(qū)域，用以減緩油液在油箱中的晃動，達(dá)到降低噪聲的效果。