李佳佳

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車燃油箱的需求呈現(xiàn)增長趨勢，世界上第一套塑料燃油箱是在20世紀(jì)60年代，由德國大眾、BASF和KAUTEX公司聯(lián)合設(shè)計開發(fā)出來，早期的燃油箱大多由金屬材料制成，后來改用合成材料來適應(yīng)汽車輕量化的發(fā)展需求，以滿足新的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)[1]。

燃油箱是個相對密閉的系統(tǒng)，油箱上通常設(shè)有通風(fēng)裝置，以防止隨著油量的過度消耗而在箱內(nèi)與大氣的壓力差作用下產(chǎn)生變形。由于慣性作用，汽車在加速或減速過程中會引起油箱內(nèi)部燃油的晃動，對箱體產(chǎn)生一定的作用力，甚至造成干擾噪聲。所以本文對油箱的燃油晃動進(jìn)行數(shù)值模擬，分析應(yīng)力變化，以便進(jìn)一步對箱體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[3-4]。

1 計算方法和理論模型

近幾十年來，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)晃動波具有一定的非線性特征，但是在自由運動表面捕捉非線性邊界條件，目前還是一個難題，數(shù)值模擬方法對解決非線性問題具有一定的優(yōu)勢[3-4]。

液體表面波運動的數(shù)值模擬都是基于N-S控制方程或勢流理論。在時域仿真中，勢流理論通常解決兩個關(guān)鍵問題：一個用于解決速度場的邊界值問題（BVP)，可通過邊界體積法（BEM）、有限元法（FEM)、有限差分法（FDM）、有限體積法等來實現(xiàn)；另一個用于隨時間更新邊界點位置和邊界條件。由于勢流理論（該方法假定液體是不可壓縮的)在計算的效率和準(zhǔn)確性上具有很大的優(yōu)勢，因此對于自由運動邊界，主要采用混合歐拉法（MEL）和半拉格朗日法（SL）[5]。

近幾年來，計算機流體力學(xué)（CFD）在結(jié)構(gòu)分析設(shè)計的過程中起到了重要作用，它不僅節(jié)省了項目測試設(shè)計所需的時間，而且節(jié)約了設(shè)計成本。作為CFD的專業(yè)軟件，ANSYS FLUENT應(yīng)用較為廣泛，它采用VOF方法進(jìn)行求解，通常這種方法僅適用于穩(wěn)態(tài)解問題，它不依賴于計算初始值。在氣-液交界面，為了防止渦結(jié)構(gòu)的生成，可以選用瞬態(tài)求解法。

多相流之間的界面軌跡可由一個連續(xù)方程求解一個（或多個）有限體積單元的相位，對于q相（流體的有限單元），該方程形式如下：

式中：mqp為q相至p相的轉(zhuǎn)變；mpq為p相到q相的質(zhì)率。方程（1）右側(cè)的源項Saq默認(rèn)值為零[6]，也可為每個相指定一個常數(shù)，該單元的有限體積單元分?jǐn)?shù)表示為αq。

2 計算模型及邊界條件

本文的研究模型為一個封閉的油箱，箱內(nèi)盛有65%的油和35%的空氣。油箱的總體積為0.203 m3，油的體積為0.132 m3，占油箱體積的65%。油箱由普通鋼材料制成，其材料特性如表1所示，金屬板壁的厚度為6 mm。

表1 材料特性

圖1 燃油箱建模

圖1所示，靜止坐標(biāo)系下，油箱下端采用螺孔固定。油箱進(jìn)行靜態(tài)分析和晃動時流固耦合分析的邊界條件如圖1（b）所示，油箱在X、Y、Z三個方向上以3g的加速度加載。3 油箱晃動數(shù)值模擬

3.1 燃油箱的靜態(tài)分析

靜態(tài)分析過程中，將流體靜壓作為添加載荷，由于靜態(tài)分析過程中沒有考慮油在箱體內(nèi)的運動，箱內(nèi)存在一個45°的自由液面，其液面如圖2所示，計算分析得到的壓力分布如圖3所示。從圖3可以看出，靜態(tài)時，油箱正對液面的底角區(qū)域壓力較大，達(dá)到0.33 MPa，液面處的壓力最小，接近于0 Pa。

圖2 靜態(tài)時油箱液面

圖3 靜態(tài)時油箱靜壓

圖4顯示了靜態(tài)分析中，油箱表面應(yīng)力分布情況。從應(yīng)力圖可以看出，油箱的最大應(yīng)力為63.87 MPa，在油箱的一側(cè)區(qū)域，應(yīng)力較為集中，另一側(cè)的應(yīng)力幾乎為0，說明靜態(tài)計算時，油對油箱的結(jié)構(gòu)作用力影響比較明顯。

圖4 表面應(yīng)力分布

3.2 燃油箱燃油晃動分析

當(dāng)油箱里的液體存在一定的運動時，采用FLUENT進(jìn)行箱體的流固耦合分析。在仿真初始階段，油箱處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)t=2 s時，在油箱上施加一個與時間相關(guān)的加速度，進(jìn)行模擬計算分析。此時需要運用兩相流模型。其中一相為空氣，另一相為油，采用ANSYS FLUENT 12.0中的VOF多相流模型進(jìn)行設(shè)置[7]，來預(yù)測油箱在加速運動下，油箱與燃油耦合運動狀態(tài)，重點分析加速過程中油箱的最大應(yīng)力分布。圖5為動態(tài)仿真過程中，t=2 s內(nèi)的自由液面形態(tài)的預(yù)測結(jié)果。即不同時間段油液面的變化，當(dāng)t=0.5 s時，液面波動幅度較大，當(dāng)t=2 s時，液面波動幅度逐漸變小，這與圖6的液體流速變化基本一致，在0.5 s內(nèi)速度變化最大。

圖5 不同時間段油箱液面變化

圖6 t=2 s內(nèi)的液體流速變化

圖7 t=2 s內(nèi)的最大應(yīng)力分布

圖7顯示了運動過程中2 s內(nèi)的應(yīng)力分布圖。由圖7的計算結(jié)果，可以得知在晃動情況下，箱體的最大應(yīng)力值為10.28 MPa，這個值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)時的數(shù)值，而且整個箱體的應(yīng)力分布較為分散，未出現(xiàn)應(yīng)力集中的尖點，受力情況比靜態(tài)時的好，因此油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時也應(yīng)充分考慮晃動耦合時的工況[8]。

4 結(jié) 論

本文采用CAD建模和FLUENT仿真分析，對比分析燃油箱靜態(tài)模擬結(jié)果與晃動的流固耦合結(jié)果，可以看出兩者存在明顯的差別。靜態(tài)分析計算所用的時間明顯小于晃動時流固耦合的計算時間，靜態(tài)計算時，油對箱體產(chǎn)生的最大應(yīng)力為63.87 MPa，這個數(shù)值遠(yuǎn)大于晃動時流固耦合的分析值。因此在燃油箱設(shè)計過程中，使用靜態(tài)分析結(jié)果設(shè)計可能會導(dǎo)致設(shè)計余量過大，造成不必要的浪費，這有利于對油箱結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。