基于SPH粒子法的汽車高壓油箱碰撞CAE計(jì)算分析

劉豪 王康 徐莉 關(guān)永學(xué) 付康

摘 要：文章基于汽車車體結(jié)構(gòu)、高壓燃油箱及其周圍零部件組成的子模型，采用LS-DYNA顯式求解器，利用SPH 粒子技術(shù)，針對(duì)整車正面碰撞、側(cè)面碰撞以及后面碰撞過(guò)程中，高壓油箱周圍變形以及其內(nèi)部油液的晃動(dòng)對(duì)油箱殼體的影響進(jìn)行有限元模擬和研究。通過(guò)碰撞CAE計(jì)算分析，得出碰撞過(guò)程中油液晃動(dòng)對(duì)油箱的撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力分布及變化過(guò)程，分析油箱的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布等情況，可以評(píng)估汽車在發(fā)生高速碰撞時(shí)油箱損傷、破壞情況。最終通過(guò)在某整車高速追尾CAE模擬中的應(yīng)用，再現(xiàn)了油液SPH 粒子的有效作用。

關(guān)鍵詞：CAE計(jì)算 高壓油箱 汽車碰撞 SPH粒子法

1 引言

隨著國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》、《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》、《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》三項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開始實(shí)施，并且CNCAP規(guī)程中也對(duì)碰撞后燃油系統(tǒng)的完整性提出了要求，更為嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行表現(xiàn)出國(guó)家對(duì)汽車行駛安全的重視。乘用車碰撞燃油系統(tǒng)安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)主要是依據(jù)在國(guó)標(biāo)工況和CNCAP工況中的汽車碰撞試驗(yàn)，主要檢驗(yàn)汽車發(fā)生碰撞時(shí)燃油箱的安全性能。主要針對(duì)汽車碰撞過(guò)程中和碰撞后燃油泄漏情況、燃油箱殼體完整情況、等檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)[1]。

為了考察傳統(tǒng)汽車燃油箱/混合動(dòng)力汽車高壓油箱在碰撞時(shí)可能有起火或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，以及汽車行駛過(guò)程中油箱內(nèi)油液長(zhǎng)時(shí)間晃動(dòng)會(huì)使油箱結(jié)構(gòu)連接件松動(dòng)，結(jié)構(gòu)局部磨損或產(chǎn)生裂紋而造成燃油泄漏。本文基于汽車車體結(jié)構(gòu)、高壓燃油箱及其周圍零部件組成的子模型，采用LS-DYNA顯式求解器，利用SPH 粒子技術(shù)[2][3]，針對(duì)整車正面碰撞、側(cè)面碰撞以及后面碰撞過(guò)程中，高壓油箱周圍變形以及油箱內(nèi)部油液的晃動(dòng)對(duì)油箱殼體的影響進(jìn)行有限元模擬和失效分析研究。通過(guò)碰撞仿真分析計(jì)算，進(jìn)而得出碰撞過(guò)程中油液晃動(dòng)對(duì)油箱的撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力分布的變化過(guò)程，分析高壓油箱的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布等情況，可以考察整車在撞擊時(shí)油箱發(fā)生的破壞情況[4]。最終通過(guò)在整車高速碰撞CAE模型中應(yīng)用，再現(xiàn)了油液SPH 粒子的有效作用。

2 SPH粒子法技術(shù)

2.1 SPH粒子特點(diǎn)

SPH 的全稱是光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)——Smoothing Particle Hydrodynamics. 它是在流體力學(xué)計(jì)算領(lǐng)域相對(duì)新型的方法，它的理論基礎(chǔ)來(lái)源于粒子方法，粒子方法是把連續(xù)的物理量用多數(shù)粒子的集合來(lái)插值的數(shù)值解析方法。比如，將連續(xù)體的運(yùn)動(dòng)用有限數(shù)量的粒子運(yùn)動(dòng)來(lái)離散化，它與有限體積法和有限元法不同，具有完全Lagrange方法并不用網(wǎng)格的特點(diǎn)。粒子法由于沒(méi)有網(wǎng)格，因此不會(huì)發(fā)生界面變形大所引起的計(jì)算溢出的問(wèn)題，而且，對(duì)流體的分離和合體這樣的拓?fù)鋵W(xué)的復(fù)雜變化也不需要特殊的計(jì)算手段。采用這種SPH 粒子的優(yōu)點(diǎn)不僅是很容易地用于大變形的界面，而且沒(méi)有必要進(jìn)行煩雜的網(wǎng)格生成等工作，適用于復(fù)雜自由的液面流體[5]。如圖1所示。

2.2 CAE仿真中不同燃油表達(dá)方式

傳統(tǒng)的燃油箱中油液的模擬方法是使用等效配重的表達(dá)方式，該方式難以精確模擬在碰撞過(guò)程中燃油液體在油箱內(nèi)部的竄動(dòng)對(duì)油箱殼體的沖擊以及所導(dǎo)致的整個(gè)油箱的晃動(dòng)量。在整車碰撞CAE 仿真分析中，一般情況下，我們都會(huì)采用在燃油箱所有單元或節(jié)點(diǎn)上增加等效配重的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種加載方式，很難模擬出在碰撞過(guò)程中燃油箱內(nèi)部油液的晃動(dòng)產(chǎn)生的影響。

對(duì)于SPH粒子，在整車碰撞中的應(yīng)用還很少。雖然SPH 粒子的理論知識(shí)比較復(fù)雜，但采用LS-DYNA求解器，用有限元專業(yè)語(yǔ)言的表法方法卻是非常簡(jiǎn)單。每個(gè)SPH粒子都是屬于一種SPHCEL類型的一維單元，由單元的節(jié)點(diǎn)號(hào)組成。SPH 粒子的屬性類型為專屬的SPH類型，其中包括Mp（粒子的質(zhì)量），Qa和Qb（非線性、線性體積粘度系數(shù)），h（光順距離）等主要的關(guān)鍵參數(shù)。SPH 粒子的材料類型為MAT009_NULL，其中包括密度、粘性系數(shù)等，為一種流體力學(xué)中使用的粘性流體材料。使用SPH例子法模擬油液，可以準(zhǔn)確模擬碰撞過(guò)程中燃油箱中液體對(duì)油箱殼體的沖擊以及油箱殼體整體的變形情況，從而在設(shè)計(jì)前期對(duì)油箱的邊界布置以及周邊鋒利特征的設(shè)計(jì)提出建議，可以避免在實(shí)車試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致油箱重新開?；蛘咝弈５娘L(fēng)險(xiǎn)[6]。

3 汽車碰撞CAE燃油SPH設(shè)置

3.1 前處理軟件中的SPH設(shè)置方法

GB11551《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》、GB20071《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》、GB20072《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》以及CNCAP各項(xiàng)碰撞試驗(yàn)的技術(shù)要求中，均要求在燃油箱中注入90%燃油箱滿容量時(shí)燃油（或等質(zhì)量的水），本文仿真模型中加入了等同油箱容量90%的SPH 粒子，用于評(píng)估碰撞時(shí)的燃油箱的變形情況。

在CAE計(jì)算前處理軟件Hypermesh中建立SPH單元：需要注意的是油箱殼體必須是封閉的腔體結(jié)構(gòu)，如“進(jìn)油/回油”管路與油箱連接，若從CAD組拿到的數(shù)據(jù)為非封閉結(jié)構(gòu)，有效的解決辦法是暫時(shí)將油箱“進(jìn)油/回油”口進(jìn)行封堵，SPH液體添加完成后，再將油箱殼體封堵的單元?jiǎng)h除。

SPH單元建立步驟：在Hypermesh中的“1D”--“SPH”功能中進(jìn)行建立，如圖2所示：

步驟1、選擇構(gòu)成油箱閉合殼體的所有Comp；

步驟2、選擇相鄰兩個(gè)SPH粒子的間距（建議略大于殼體的網(wǎng)格大?。?；

步驟3、燃油質(zhì)量（一般為油箱滿油的90%）；

步驟4、填充SPH粒子占油箱總?cè)莘e的百分比（一般為油箱滿油的90%）；

步驟5、重力加速度方向；

步驟6、創(chuàng)建SPH粒子，并創(chuàng)建與燃油系統(tǒng)的接觸。

3.2 計(jì)算后處理軟件中SPH提取方法

將使用了SPH粒子模擬燃油的油箱裝載在整車碰撞CAE模型中進(jìn)行求解計(jì)算，CAE計(jì)算結(jié)果可以準(zhǔn)確還原模擬碰撞過(guò)程中燃油液體在燃油箱中的竄動(dòng)，并將燃油液體內(nèi)部之間以及燃油液體對(duì)燃油箱殼體內(nèi)壁沖擊受力情況再現(xiàn)出來(lái)。

可以通過(guò)Hyperview中的“SPH Data”--“Pressure in particle”功能中進(jìn)行查看碰撞過(guò)程中SPH油液粒子之間的相互擠壓力，并可以通過(guò)云圖的方式顯示出來(lái)，以直觀的觀察到油液自身的壓力在油箱內(nèi)部空間的分布趨勢(shì)，詳見圖3所示。

如圖3所示，在油箱內(nèi)部較為狹小空間區(qū)域的油液的內(nèi)部壓力相對(duì)較大，在油箱內(nèi)部較為寬松空間區(qū)域的油液內(nèi)部壓力相對(duì)較小，即油箱內(nèi)部空間寬松區(qū)域的殼體內(nèi)壁收到的油液擠壓力也就越小。

4 汽車碰撞CAE燃油SPH分析

4.1 正面碰撞燃油SPH分析

在正面碰撞工況中，車輛前端因發(fā)生碰撞而發(fā)生變形，同時(shí)車體產(chǎn)生較大的碰撞減速度，油箱及油箱內(nèi)的燃油液體在慣性力的作用下向前竄動(dòng)，油箱殼體在箍帶的約束下與車體的相對(duì)位置發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，油箱內(nèi)部的燃油同時(shí)在內(nèi)部發(fā)生液體竄動(dòng)，對(duì)油箱殼體內(nèi)部產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致油箱殼體各個(gè)位置的受力不同。

在正面碰撞發(fā)生初期，車輛前端未發(fā)生嚴(yán)重變形，整車的碰撞加速度較低，燃油箱內(nèi)部的燃油液體的液面基本處于水平狀態(tài)；在車輛前端逐步變形加劇 并產(chǎn)生較大的碰撞加速度的同時(shí)，燃油箱內(nèi)部的液體在巨大的慣性力作用下涌動(dòng)到燃油箱的前端，液體對(duì)燃油箱內(nèi)壁前端產(chǎn)生壓力，加劇了油箱向前的竄動(dòng)量，并導(dǎo)致油箱殼體前端由內(nèi)向外發(fā)生形面塑性變形；在碰撞后期，液體燃油持續(xù)在油箱殼體內(nèi)往復(fù)震蕩沖擊，燃油對(duì)油箱殼體內(nèi)壁的壓力隨著碰撞過(guò)程的推移時(shí)刻發(fā)生著改變。

使用SPH粒子法在仿真分析中模擬液體燃油，可以準(zhǔn)確還原模擬實(shí)際碰撞過(guò)程中燃油在油箱內(nèi)部的竄動(dòng)以及對(duì)油箱殼體內(nèi)壁產(chǎn)生的壓力，并能夠準(zhǔn)確模擬油箱整體在碰撞過(guò)程中相對(duì)于車身的錯(cuò)動(dòng)，通過(guò)下圖4所示的CAE分析結(jié)果的剖面圖，可以查看到不同時(shí)間下液體燃油SPH粒子在燃油箱內(nèi)部的分布情況。

4.2 側(cè)面碰撞燃油SPH分析

側(cè)面碰撞工況中，因?yàn)榕鲎卜较虿煌谡媾鲎?，液體燃油同樣會(huì)在慣性力的作用下在燃油箱內(nèi)部發(fā)生左右方向的竄動(dòng)，并帶動(dòng)燃油箱殼體與車身同時(shí)產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)位，使用SPH粒子法可以在側(cè)面碰撞仿真分析中精確模擬碰撞過(guò)程中燃油液體的竄動(dòng)趨勢(shì)，并在仿真計(jì)算結(jié)果中反應(yīng)出在燃油內(nèi)部沖擊作用下的油箱殼體受力情況，如圖4所示。

4.3 高速追尾燃油SPH分析

高速追尾碰撞過(guò)程中，車輛后端因發(fā)生追尾而發(fā)生變形，在車輛后部結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中，燃油箱中的燃油在慣性力的作用下發(fā)生前后向的竄動(dòng)，并對(duì)油箱殼體產(chǎn)生內(nèi)部沖擊力，通過(guò)SPH粒子法同樣可以在仿真模型中對(duì)該工況進(jìn)行還原。

5 汽車高速碰撞實(shí)物驗(yàn)證

在數(shù)字設(shè)計(jì)階段，使用SPH粒子法精確模擬碰撞過(guò)程燃油系統(tǒng)的受力情況，并對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行改進(jìn)；在樣車實(shí)車試制階段，為了驗(yàn)證燃油系統(tǒng)碰撞安全性的實(shí)車性能，需要在試驗(yàn)階段進(jìn)行正面、側(cè)面、后面的碰撞試驗(yàn)，本文基于某款混合動(dòng)力SUV車型，在實(shí)車試制階段，在高于國(guó)標(biāo)以及CNAP標(biāo)準(zhǔn)的碰撞速度下進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，如下圖10所示，該車型的實(shí)車碰撞速度按照56kph進(jìn)行試驗(yàn)，而GB以及CNCAP的要求為50kph，在更為嚴(yán)苛的實(shí)車碰撞工況中考察碰撞后的燃油系統(tǒng)完整性。在碰撞試驗(yàn)完成后，通過(guò)將整車旋轉(zhuǎn)360度（圖5），確認(rèn)燃油系統(tǒng)的未發(fā)生泄漏，滿足燃油系統(tǒng)完整性、安全性的開發(fā)目標(biāo)。

6 總結(jié)

本文基于某混合動(dòng)力SUV車型進(jìn)行高速碰撞CAE仿真分析，使用SPH粒子法模擬燃油液體，替代傳統(tǒng)的油箱殼體等效配重方法，可以精確模擬碰撞過(guò)程中燃油液體對(duì)油箱殼體的沖擊以及所導(dǎo)致的油箱整體的竄動(dòng)量，準(zhǔn)確還原碰撞過(guò)程中油箱的變形量，避免在碰撞試驗(yàn)中燃油系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致重復(fù)試驗(yàn)和重新開模的風(fēng)險(xiǎn)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，使用SPH粒子法的高壓油箱碰撞CAE計(jì)算，大大提高燃油系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)效率，節(jié)約開發(fā)成本?；赟PH方法分析設(shè)計(jì)后的高壓燃油系統(tǒng)，經(jīng)整車高速碰撞實(shí)物驗(yàn)證后，在360度翻轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行了高壓燃油系統(tǒng)的完整性考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用SPH粒子法準(zhǔn)確還原碰撞過(guò)程中油箱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、預(yù)判潛在失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以很好地保障燃油系統(tǒng)的可靠性與完整性。

基金項(xiàng)目：江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜場(chǎng)景下新能源汽車碰撞數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)”（20232BBE50008）研究成果。

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