制動(dòng)工況下汽車油箱的數(shù)值分析研究

黃 虎，史鳳波，沈民民，孫船斌，童寶宏

(1.安徽福馬汽車零部件集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243100；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

汽車作為貨物的主要運(yùn)輸方式，具有點(diǎn)對點(diǎn)、方便快捷、運(yùn)價(jià)相對低廉等優(yōu)點(diǎn)。隨著城市交通日益飽和，汽車行駛的工況多變性增加，對汽車車輛的行駛穩(wěn)定性要求進(jìn)一步提高，不僅包括動(dòng)力、操縱、舒適等方面，更要關(guān)注油箱安全。

汽車在高變速的工況下，油箱中的燃油在自身慣性力和重力聯(lián)合作用下在油箱中劇烈晃動(dòng)，產(chǎn)生晃動(dòng)噪聲[1]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃油供給中斷[2]或者損壞油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]等問題。為降低燃油晃動(dòng)對油箱的不利影響，油箱內(nèi)置防浪板是目前主要降低燃油晃動(dòng)的方式，并且可以提高油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為改善油箱晃蕩沖擊過程，本文以某種車輛燃油箱為研究對象，采用流固耦合數(shù)值模擬方法，分析緊急制動(dòng)工況下的燃油晃動(dòng)形態(tài)、壓強(qiáng)分布以及應(yīng)變狀態(tài)，研究方法和結(jié)果對油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃油晃蕩穩(wěn)定分析具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 汽車油箱有限元模型

1.1 模型的簡化與建立

在建立油箱模型之前，忽略油箱結(jié)構(gòu)的焊縫以及進(jìn)油口和出油口，將油箱和其內(nèi)部的防浪板建立成一個(gè)整體。油箱模型的長、寬、高分別為1 190 mm、630 mm和550 mm，和真實(shí)油箱尺寸保持一致；油箱內(nèi)固定兩塊中心對稱的防浪板，距離為440 mm，將油箱分成了3個(gè)艙室，防浪板包含多個(gè)孔隙，并且中心為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。油箱各部分的厚度均為3 mm，通過SolidWorks建立該油箱模型，如圖1所示。

圖1 汽車油箱有限元模型

1.2 網(wǎng)格劃分與材料參數(shù)

將油箱模型導(dǎo)入Workbench中的Geometry，直接利用Mesh模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且控制網(wǎng)格尺寸大小為15 mm。油箱模型的材料為鋁合金，彈性模量為7×104MPa，密度為2.75×103kg/m3，屈服極限為130 MPa。流體域由液相和氣相組成，液相中燃油密度為840 kg/m3，動(dòng)力黏性系數(shù)為1.003×10-3kg·m/s；氣相中空氣密度為1.225 kg/m3，動(dòng)力黏性系數(shù)為1.789 4×10-3kg·m/s。

1.3 制動(dòng)工況

根據(jù)GB12676《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》和GB/T13594《機(jī)動(dòng)車和掛車防抱制動(dòng)性能和試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，汽車在制動(dòng)初速度v0=30 km/h時(shí)，制動(dòng)距離不能超過9 m，即最小制動(dòng)加速度為3.86 m/s2，當(dāng)遇到突發(fā)情況需要緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)加速度會(huì)更大。根據(jù)汽車?yán)碚?，最大地面制?dòng)力等于附著力，可得：

Fmax=φG=φMg.

其中：Fmax為地面制動(dòng)力；G為汽車重力；M為汽車質(zhì)量；g為重力加速度；φ為輪胎與路面之間的附著系數(shù)。制動(dòng)加速度與附著系數(shù)的關(guān)系為：

a=φg.

在潮濕瀝青路面，附著系數(shù)φ為0.5～0.8，取制動(dòng)加速度為0.5g(a=4.9 m/s2)；當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)，取制動(dòng)加速度為0.75g(a=7.4 m/s2)。汽車制動(dòng)后的速度為0，則兩個(gè)制動(dòng)加速度下的制動(dòng)時(shí)間分別為1.696 s和1.126 s，考慮制動(dòng)后燃油晃動(dòng)幅度仍較大，數(shù)值模擬時(shí)間定為3 s。

2 流體分析

數(shù)值模擬制動(dòng)工況下油箱中燃油晃動(dòng)狀態(tài)，屬于多相流非定常問題，卜凱等[4]發(fā)現(xiàn)可以將該問題簡化成定常問題，即開始時(shí)刻油箱和油液保持靜止?fàn)顟B(tài)，從0時(shí)刻起給油液施加一個(gè)加速度常量，讓油液與油箱之間產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度從30 km/h減速至0時(shí)，加速度為0，完成汽車緊急制動(dòng)工況的模擬。

在Fluent中選擇VOF(Volume of Fluid)多相流模型計(jì)算，分析設(shè)置為瞬態(tài)，湍流模型設(shè)置為k-ε模型，并設(shè)置主次相，利用UDF宏DEFINE_SOURCE定義動(dòng)量源的形式設(shè)置加速度，油箱內(nèi)充液比為0.5，求解器采用速度壓強(qiáng)耦合求解器PISO，壓力修正方程使用Body Force Weight，時(shí)間步長設(shè)置為0.000 5 s,共6 000步。

圖2和圖3分別為不同制動(dòng)加速度下各時(shí)刻油液晃動(dòng)狀態(tài)。由圖2和圖3可以看出：當(dāng)車輛制動(dòng)后，油液由于慣性力的作用向車輛運(yùn)動(dòng)方向撞擊壁面；當(dāng)制動(dòng)加速度a=4.9 m/s2時(shí)，從0～1.69 s，左側(cè)艙室中油液快速填充，大于1.69 s后，此時(shí)車輛的加速度為0，油液由于重力作用開始向右側(cè)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)加速度a=7.4 m/s2時(shí)，由于在1.26 s時(shí)已經(jīng)減速至0，所以在大于1.26 s后，油液已經(jīng)開始回流;防浪板的結(jié)構(gòu)阻礙了大部分油液的運(yùn)動(dòng)，其中的多孔結(jié)構(gòu)將油液分成多股射流，急劇降低了行進(jìn)波運(yùn)動(dòng)速度。

圖2 制動(dòng)加速度為4.9 m/s2時(shí)氣液兩相圖

圖3 制動(dòng)加速度為7.4 m/s2時(shí)氣液兩相圖

油液晃動(dòng)作用在油箱壁面的沖擊壓力分為沖擊型脈沖壓力和非沖擊型普通動(dòng)水壓力。圖4和圖5分別為不同制動(dòng)加速度下的壓強(qiáng)云圖，無論是不同的加速度還是不同時(shí)刻，在汽車制動(dòng)過程中，油箱最大壓強(qiáng)位置總是出現(xiàn)在油箱左側(cè)底部。為此，針對該位置，得到圖6中不同制動(dòng)加速度下的壓強(qiáng)時(shí)程曲線。

圖4 制動(dòng)加速度為4.9 m/s2時(shí)壓強(qiáng)分布云圖

圖5 制動(dòng)加速度為7.4 m/s2時(shí)壓強(qiáng)分布云圖

圖6 不同制動(dòng)加速度下的壓強(qiáng)時(shí)程曲線 圖7 制動(dòng)加速度為4.9 m/s2的應(yīng)力極值和形變極值(t=1.54 s) 圖8 制動(dòng)加速度為7.4 m/s2的應(yīng)力極值和形變極值(t=0.72 s)

當(dāng)制動(dòng)加速度a=4.9 m/s2時(shí)，在0～1.69 s壁面壓強(qiáng)一直遞增，這是由于汽車制動(dòng)后，油液逐漸往左側(cè)艙室聚集，形成非沖擊型普通動(dòng)水壓力；大于1.69 s后，油液開始回流，壓強(qiáng)逐漸降低。當(dāng)制動(dòng)加速度a=7.4 m/s2時(shí)，在0～0.28 s內(nèi)，壓強(qiáng)快速增大，這是由于制動(dòng)瞬間，油箱與油液之間存在較大的加速度差，油液劇烈碰撞油箱壁面產(chǎn)生沖擊型脈沖壓力；之后加速度差減小，壓強(qiáng)降低；在0.72 s時(shí)壓強(qiáng)曲線出現(xiàn)最大值，此時(shí)油箱與油液之間仍存在加速度差，且油液快速堆積在左側(cè)艙室，所以壓力種類由沖擊型脈沖壓力和非沖擊型普通動(dòng)水壓力組合而成。

以上結(jié)果表明：無論是不同的加速度還是不同時(shí)刻，最大壓強(qiáng)位置總是出現(xiàn)在汽車運(yùn)動(dòng)方向的油箱壁面底處，并且加速度增大會(huì)導(dǎo)致沖擊型脈沖壓力的出現(xiàn)，當(dāng)制動(dòng)加速度分別為4.9 m/s2和7.4 m/s2時(shí)，最大壓強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)間分別在1.54 s和0.72 s。需要注意的是，制動(dòng)加速度為4.9 m/s2時(shí)出現(xiàn)最大壓強(qiáng)時(shí)間是1.54 s，而并非加速完成時(shí)間1.69 s,這可能是由于油液沖擊油箱頂部回流帶來的復(fù)雜影響，后續(xù)研究中會(huì)進(jìn)一步關(guān)注。

3 結(jié)構(gòu)分析

考慮到油箱中油液的沖擊對油箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形微乎其微，為了節(jié)省計(jì)算資源，使用單向流固耦合方法完成制動(dòng)工況下油箱結(jié)構(gòu)的計(jì)算。將Fluent計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入Static structural模塊，輸入流體計(jì)算的動(dòng)壓力載荷結(jié)果到油箱結(jié)構(gòu)中，求出油箱在制動(dòng)過程中所受的應(yīng)力和形變情況。

分別將制動(dòng)加速度a=4.9 m/s2中t=1.54 s的動(dòng)壓力載荷與制動(dòng)加速度a=7.4 m/s2中t=0.72 s的動(dòng)壓力載荷加載到油箱結(jié)構(gòu)中，得到油箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和形變云圖，如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：在1.54 s和0.72 s時(shí)刻，兩種制動(dòng)加速度下的油箱壁面所受最大應(yīng)力位于箱底，分別為24.28 MPa、21.73 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限130 MPa；最大形變位置發(fā)生在汽車運(yùn)動(dòng)方向的油箱壁面中心處，最大彈性形變量分別為1.97 mm和1.98 mm。

4 結(jié)論

本文基于Fluent與Static structural模塊對不同制動(dòng)加速度下汽車油箱中燃油的晃動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得到以下結(jié)論：

(1)油箱的最大壓強(qiáng)位置總是出現(xiàn)在汽車運(yùn)動(dòng)方向的油箱壁面底處，制動(dòng)加速度的增大，會(huì)導(dǎo)致沖擊型脈沖壓力的出現(xiàn)，當(dāng)制動(dòng)加速度分別為4.9 m/s2和7.4 m/s2時(shí)，最大壓強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)間分別在1.54 s和0.72 s。

(2)兩種制動(dòng)加速度下油箱壁面的最大應(yīng)力分別為24.28 MPa、21.73 MPa，均小于材料的屈服極限，符合設(shè)計(jì)要求。最大形變位置發(fā)生在汽車運(yùn)動(dòng)方向的油箱壁面中心處，最大彈性形變量分別為1.97 mm和1.98 mm，并未形成永久變形。