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CAE/模拟仿真 |
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油箱晃动及传感器强度的分析研究 |
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作者：安世亚太 杨宇 |
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1：前言
在汽车设计中，会遇到很多的问题，这种高速工具在行驶中对强度的要求是最基本的。速度越大，各部件的强度及刚度受到的挑战也越大。一般情况下，检验部件刚度和强度是否符合要求直接采用试验的方法。在CAE仿真大量被采用的时代，通过CAE软件可以模拟出现实工况，找出问题所在。而本文所分析的油箱内的传感器由于其所处环境的特殊性，试验的方法是很难准确测出其受到的冲击力。
本文中的载重汽车油箱中传感器的导杆材料采用铝合金，外罩多半采用硬质PVC。汽车在高速路面行驶，加速减速，汽车盛装的油晃动特别剧烈；而且，较之水的粘性，油粘性系数更大，油箱中心的传感器必定受到来自油的巨大的压力。同时，一般传感器的结构不仅贯穿整个油箱，长度与油箱的高度相当，且直径很小，细而长的结构加剧了其被损坏的风险。因此，传感器的设计更加值得研究关注。
这里我们采用CFD仿真模拟出油在箱内的晃动，进而得出传感器上压力的分布，以此作为边界条件计算其强度，最终计算出传感器的最大位移和最大应力。这种方法对汽车上很多部件的仿真计算都有很强的应用意义。
2：数学模型及几何模型
VOF模型主要针对两种和多种不相容流体的计算模型，如果各形态物质在容积内所占体积的比例为αq，αq=0，则表示物质q所占体积为零；αq=1，表示物质存在于全部空间。不同物质间的界面变化是由连续量方程来计算完成： 
在分析中，油箱中存在两种流体，一种是燃油，一种是空气，且假设两种流体均不可压缩。液面随时间变化，计算 VOF模型的非定常问题，收敛是其中一个需要注意的问题，因此，在时间步长的设定和压力离散格式的选取上要多下功夫。虽然这里面有一定的经验，但是一般来说，VOF模型的计算时间步长的设置尽量小一些。
该油箱的体积较大，容积可达到 400L。下图中颜色较深的部件就是传感器，它处于油箱的中心处，它的两旁有两片金属，焊接在油箱的内壁，金属片上布满多个圆孔以便油在各区间相互流通。
图1：油箱的几何模型
3：计算结论及分析
根据对日常车油箱的状态大致了解的情况下，我们选取两种情况进行的分析，第一种燃油占油箱的一半；第二种燃油占油箱的三分之二；两种工况下，油箱箱体均受到沿车行驶方向上的3g的加速度；以下两图展示的初始状态下两种流体在油箱中的状态，红色表示燃油。
图2：1/2燃油的初始分布
图3：2/3燃油的初始分布
在一半燃油的工况下，油的晃动非常剧烈；3g的加速度使得燃油很快的运动。在2秒的计算时间内，最终找出0.5秒时传感器受到的压力最大，波动的油对传感器底端，中部都形成了很大的压力（见图5），最大的相对总压达到了1×104量级。
图4：0.5秒时油的形态（1/2燃油工况）
图5：传感器压力分布图（1/2燃油工况）
相比于二分之一燃油的情况，燃油的增加显然减小了速度变化造成的油波动的剧烈程度。三分之二燃油的情况下，燃油虽然同样的形成了晃动，但是油的波动温和得多，对于传感器的冲击也小的多。这在传感器的压力分布上就看得出来。
图6：0.5秒时油的形态（2/3燃油工况）
CFD分析工作完成之后，导出传感器表面的压力分布，然后将压力结果作为边界条件Mapping到传感器结构分析模型上对其进行强度分析，下图为进行强度分析的传感器模型和边界条件示意图。
图8 进行强度分析的传感器模型和边界条件示意图
图9 A工况下0.5秒时间点的应力分布图（单位：KPa）
4：结论
通过对该项目多方面综合的分析，发现一半油工况时传感器外壳受力大于 2/3油的工况，说明在同样的加速边界作用下，燃油更多，箱内流体运动相对没有那么剧烈，对传感器外壳冲击力反而小。（注：这并不表明油越少，对传感器外壳的冲击力越大）
对于结构分析得出传感器外壳所受应力不足以使其破坏，剪切力不足以使 PVC管破裂，格栅在很大程度上减小了油的晃动。(end)
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(4/16/2010) |
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