燃油箱SPH粒子模擬方法在碰撞中的研究
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時(shí)間：2016-12-19
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為了考慮燃油箱在追尾碰撞時(shí)可能有起火或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，以及汽車(chē)行駛過(guò)程中燃油箱內(nèi)油液長(zhǎng)時(shí)間晃動(dòng)會(huì)使燃油箱結(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。從2006年7月1日起，《汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》、《乘用車(chē)后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》兩項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始實(shí)施，“雙碰”標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行表現(xiàn)出國(guó)家對(duì)汽車(chē)行駛安全的重視。乘用車(chē)后碰撞燃油系統(tǒng)安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)主要是依據(jù)汽車(chē)后面碰撞試驗(yàn)，后碰試驗(yàn)主要檢驗(yàn)汽車(chē)發(fā)生后部碰撞時(shí)燃油箱的安全性能。主要針對(duì)汽車(chē)碰撞過(guò)程前后燃油泄漏情況、燃料燃燒情況、以及蓄電池的位置等檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。
本文基于車(chē)體結(jié)構(gòu)燃油箱及其周?chē)悴考M成的子模型，采用RADIOSS顯式求解器，利用SPH粒子技術(shù)[1]，針對(duì)整車(chē)后面碰撞過(guò)程中，燃油箱周?chē)冃我约叭加拖鋬?nèi)部油液的晃動(dòng)對(duì)燃油箱的影響進(jìn)行有限元模擬和初步的研究。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)燃油箱的撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力分布的變化過(guò)程，分析燃油箱的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布等情況，可以初步評(píng)估出整車(chē)在撞擊時(shí)燃油箱發(fā)生的破壞情況。最終通過(guò)在整車(chē)后碰模型中的應(yīng)用，再現(xiàn)了油液SPH粒子的有效的作用。
1 模型組成介紹
1.1 子模型的結(jié)構(gòu)
依據(jù)整車(chē)碰撞模型，首先截取整車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)中燃油箱周?chē)悴考M成了一個(gè)子模型，主要包括燃油箱總成、油箱吊帶、安裝支架、后座椅地板、后縱梁及燃油箱附近的其它零部件等，如圖1所示。模型內(nèi)部也包含有效的連接及接觸。
圖1 包含燃油箱特征的子模型 圖2 車(chē)體結(jié)構(gòu)的約束方式
關(guān)于模型邊界條件的設(shè)置，該模型考慮車(chē)體結(jié)構(gòu)不發(fā)生碰撞變形，而是只考慮整車(chē)碰撞時(shí)的加速度的變化對(duì)燃油箱內(nèi)部的油液的運(yùn)動(dòng)的影響。約束子模型中車(chē)體結(jié)構(gòu)的邊界，如圖2所示，并在車(chē)體上賦予整車(chē)碰撞的加速度曲線，考察整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中油液的運(yùn)動(dòng)形式。
2 燃油箱的加載方式介紹
在本文中，針車(chē)體結(jié)構(gòu)子模型，對(duì)燃油箱的不同加載方式進(jìn)行了比較。第一種方式是采用燃油箱等效配重模擬油液質(zhì)量，第二種方式是在燃油箱內(nèi)采用SPH粒子模擬油液，初步比較了兩個(gè)工況下燃油箱變形模式的差異性。
2.1 等效配重燃油表達(dá)方式
在整車(chē)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)，如圖3所示。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。
圖3 在燃油箱上附加等效配重
1. SPH粒子的特點(diǎn)
SPH的全稱(chēng)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Lagrangian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[3]。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， 如圖5所示。
評(píng)論