王成位，顧文娟，劉美紅，陶鑫

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學）

0 引言

隨著人們對車輛要求的提高，車輛油箱內燃油晃動產生的異響越來越受到重視。早期車輛油箱內部沒有設置防浪板，燃油在油箱內因車輛加減速不斷沖擊油箱壁面產生異響。經過改良，發(fā)現(xiàn)在油箱中加入一塊矩形防浪板可有效減小因液體晃動產生的異響。防浪板減少了油箱內液體晃動造成的對車輛的縱向或橫向力，降低了液體沖擊油箱壁面產生的異響，提高了車輛穩(wěn)定性。

防浪板把油箱分為幾個獨立的小艙，液體不會在車輛制動或轉向時全部涌向一側，而是被分割為幾部分涌向各自艙內，艙內液體得到有效緩沖[1]。金屬油箱往往在內部加防浪板以減小燃油晃動產生異響。然而，由于防浪板在油箱內不斷受到燃油沖擊，容易斷裂，其可靠性成為關注重點。

目前，對液體仿真的研究途徑主要有準靜態(tài)分析法、流體力學法、等效機械模擬法、仿真法和試驗法。大型有限元仿真軟件如ANSYS、ABAQUS、ADINA 等，功能日趨完善。歐拉-拉格朗日算法常用來解決非線性耦合問題，比如儲液容器的晃動問題[2]。本文利用ANSYS Workbench 進行仿真，針對液體在油箱內的晃動情況，對比拱形防浪板與矩形防浪板的受力效果，結合拱形抗壓性強的特性，對拱形防浪板進行晃動、應力-應變仿真，通過模態(tài)分析對防浪板進行改進，將仿真結果與矩形防浪板進行對比，設計了一種新型防浪板，

1 建立防浪板模型

防浪板一般為矩形平板，由于油箱內液體不斷晃動沖擊防浪板，會造成防浪板斷裂。拱形承受載荷時，能把壓力向下、向外傳遞給相鄰部分，拱形各部分相互擠壓而結合得更加緊密，所以拱形的抗壓能力強。針對這一特性，本文通過ANSYS Workbench 仿真對比拱形防浪板與矩形防浪板的抗壓性能及形變。

目前，市面上有多種類型的油箱，由于油箱內安全線在油箱口下方，所以實際燃油會比標注的多一些。為了提高分析效率，方便設計建模，本文選擇400 L 燃油箱，具體尺寸如表1 所示。

表1 燃油箱尺寸表Tab.1 Fuel tank size

仿真分析中只需要定義材料密度、彈性模量、泊松比便可生成油箱對應的材料。油箱材料為5182H11 合金鋁，防浪板材料為5083 合金鋁[3]，材料屬性見表2。

表2 材料數據Tab.2 Material data

根據GB 18564.1-2006《道路運輸液體危險貨物罐式車輛 第1 部分：金屬常壓技術要求》以及相關規(guī)定，罐內設置防浪板的有效面積應大于罐體橫斷面積的40%，每個防浪板的安裝位置應使上部弓形面積小于橫斷面的20%，所以本文防浪板尺寸選擇600×700 mm，厚度1 mm，如圖1 所示。為了提高分析效率，可根據實際結構簡化分析模型。三維圖如圖2 所示。

圖1 防浪板模型Fig.1 Model of wave shield

圖2 三維模型Fig.2 Three-dimensional model

2 液體晃動有限元仿真

仿真分析關注點：（1）2 種防浪板對于油箱內液體晃動情況；（2）油箱內液體晃動時，拱形防浪板是否能達到矩形防浪板的同等效果。

首先進行液體晃動情況仿真分析，模塊的選擇如圖3 所示。選擇Fluent 模塊，導入模型，選擇長方形油箱作為流域，設置為fluid。其次將防浪板作為實體，設置為solid。由于涉及到2 個材料相互運算，需要進行布爾操作。布爾操作分為交運算Intersection、加運算Addition、減運算Subtract、部分運算Divide，不同情況用不同算法。在工作欄中選擇create-boolean 選項，分析需要用到2 個部分并且都需要保留，選擇流域與實體作為2 個因素，選擇減運算法來進行計算，去掉母體中一個或多個與子體重合的圖素，保留工具體。

圖3 有限元液晃操作步驟Fig.3 Operation steps of finite element liquid shaking

進行網格劃分。使用mesh 模塊對簡化的三維模型劃分網格，劃分時要注意箱內有狹窄面，網格單元的最小尺寸由最薄處決定，ALE 變形網格對網格質量要求較高，網格太粗糙會導致計算結果不收斂。另外，網格尺寸過小，將會增加計算時間[4]。最后檢查網格是否出現(xiàn)錯誤。

自動劃分的矩形防浪板有8 077 個節(jié)點，990個單元。拱形防浪板有12 159個節(jié)點，1 581個單元，網格劃分結果如圖4 所示。將模型進行網格劃分且檢查無錯誤。

圖4 有限元網格劃分Fig.4 Finite element meshing

本次分析使用ANSYS fluent 模塊、VOF 多項流法進行仿真。VOF 模型通過對網格中流體的體積比函數確定液面的自由表面，適合計算幾種不能相融的流體自由表面問題。本文仿真中流體主要考慮水和空氣，適合采用VOF 多項流模型。VOF 模型是建立在固定的歐拉網格下的表面跟蹤辦法，在分析2 種或者多種不相混合流體，當需要得到一種或多種互不相融的流體交接面時，可以采用這種模型算法。在VOF 模型中，不同的流組共用一套動量方程，引進相同體積分數這一變量[5]。

在設置中選擇瞬態(tài)分析，重力設置為y方向的-9.8 m/s2。打開材料庫，復制其中的材料水。在models 中選擇VOF 模型算法。將默認材料空氣和復制出來的材料水分別在算法中的2 個項設置為“air”和“water”。然后，從cell Registers 中將模型下部到高500 mm 處標記為水，初始化后選擇patch 操作，將水標記為計算區(qū)域。算法設置成piso 算法，時間步長因子選擇0.01，時間步數選擇50 步，方便運算提高效率，在CFD-POST 查看結果。

可以對液體進行晃動仿真。使用相同材料、相同尺寸的油箱和防浪板模型，在20 m/s的情況下，對油箱內液面進行晃動分析，觀察拱形防浪板是否能達到矩形防浪板將油箱分割為幾個小艙的效果。

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圖5、圖6 的仿真結果顯示，在相同的油箱內，給定速度為20 m/s 的情況下，2 種防浪板均可使液體在晃動時產生分艙效果，對于減小油箱內液體晃動產生的異響效果相同。

圖5 矩形防浪板液晃情況Fig.5 Liquid sway of rectangular wave shields

圖6 拱形防浪板液晃情況Fig.6 Liquid sway of arched wave shields

3 流固耦合有限元仿真

由于液體沖擊防浪板，應觀察防浪板的應力-應變，這屬于流固耦合仿真，具體模塊的選擇如圖7 所示。流固耦合分為單項流固耦合和雙向流固耦合。本次仿真主要觀察流體沖擊2 種防浪板產生的形變和受力情況，所以采用單項流固耦合。通過流固耦合仿真，可得到液體沖擊防浪板產生的應力-應變。目前，求解流固耦合問題主要有解析法、半解析法和數值計算方法[6]。

圖7 有限元流固耦合操作步驟Fig.7 Finite element fluid-structure coupling operation steps

首先，選擇ANSYS 中Fluent 模塊與靜力學模塊，由于二次分析都使用同一個模型，所以可將2 個模塊中的geometry 部分連接起來；由于要從fluent 模塊中觀察靜力學模塊中的結果，所以要將fluent 模塊中solution 與靜力學中的setup 連接起來，這就是ANSYS 的單項流固耦合分析方法。

其次，進行fluent 的分析設置。在fluent 中，將2 個模型導入geometry 中，設置方形油箱為流場區(qū)fluent，將油箱內部防浪板設置為實體solid，然后進行網格設置，進入mesh 模塊。由于是對流體進行分析，需要將流域中的實體選擇抑制。接下來設置網格，因為只設置一個矩形流場區(qū)，不需要其他復雜零件，為方便計算選擇自動生成網格。將油箱前段設置為inlet 進口，后部設置為outlet 出口，將油箱四周的壁面設置為wall，方便后續(xù)在設置中識別應用。最終導入ANSYS fluent的模型如圖8所示。

圖8 有限元模型導入Fig.8 Finite element model import

在設置中選擇穩(wěn)態(tài)，重力設置為y方向的-9.8 m/s2。打開材料庫，復制其中的水，在models中選擇K-epsilon（2 eqn）模型算法。在cell zone中將之前復制的水粘貼進流域，檢查流域是否全為水。初始化操作后，將之前設置好的進口賦予一個20 m/s 的速度。在出口處選擇保持壓力不變。算法選擇simple，計算100 步可得明顯效果。

因為單項流固耦合分析需要查看流體作用在固體上的力，所以需要在靜力學中查看。之前將2個模塊中的geometry 部分連接起來，將防浪板合金鋁5083 材料的質量、彈性模量、泊松比輸入進材料庫，設置為新材料，便可直接進入mesh網格劃分。因為防浪板為單個零件，沒有出現(xiàn)過多的材料進行配合，可以直接生成網格。檢查網格無誤后可以進行后續(xù)分析。因為是對防浪板進行受力觀察，所以對流域選擇抑制。在setup 中關閉上一步抑制的流場區(qū)，只對防浪板實體進行分析。選擇防浪板的底部進行固定，選擇防浪板前、后、左、右、上為壓力接受面，壓力方式選擇wall fluid。在查看結果處需要打開應力-應變結果。所有前處理設置完成后點擊運算可得應力-應變結果，仿真應力結果如圖9 所示，應變結果如圖10 所示。

圖9 矩形防浪板應力結果Fig.9 Strain results of rectangular wave shields

圖10 拱形防浪板應變結果Fig.10 Stress results of arched wave shields

仿真結果對比表如表3 所示，2 種防浪板在20 m/s2的水流沖擊下，拱形防浪板受到的應力更小，為335.05 MPa，應變主要集中在拱形頂端；而矩形防浪板受到應力為27 311.00 MPa，應變主要集中在上端，拱形防浪板的形變幾乎沒有出現(xiàn)，而矩形防浪板則出現(xiàn)了比較明顯的形變。

表3 應力-應變對比Tab.3 Stress-strain comparison

根據單向應變片、單向應力狀態(tài)應力應變公式：

可知矩形防浪板的應變值遠大于拱形防浪板的。

4 模態(tài)分析

防浪板屬于彈性體，在流場中受流體沖擊會發(fā)生一定的振動，防浪板如果與油箱共振則會發(fā)生破損、斷裂等問題[7]，因此有必要對油箱中的防浪板進行模態(tài)分析。模態(tài)分析分為計算模態(tài)分析和試驗模態(tài)分析，本文采用計算模態(tài)分析，具體模塊的選擇如圖11 所示。油箱中的防浪板可看為多自由度的共振系統(tǒng)，具有多個固有頻率，這種在自由振動時結構所具有的基本振動特性稱為機構模態(tài)。結構模態(tài)是由結構本身的特性和材料特性決定的，與外界載荷條件無關[8]。

圖11 有限元模態(tài)分析操作步驟Fig.11 Operation steps of finite element modal analysis

對防浪板進行模態(tài)分析，確定其固有頻率和振動，分析防浪板在液體載荷下的結構特性，從而判定防浪板的工作穩(wěn)定性，使用ANSYS 中的模態(tài)仿真model 模塊進行仿真。首先，將之前做好的防浪板模型導入model模塊。防浪板材料選擇5083 號合金鋁，只需在材料庫中輸入5083 合金鋁的密度、彈性模量及泊松比即可將材料導入材料庫中；接下來進入model 設置，因為只有防浪板單個零件，無過多零件配合，所以可采用自動劃分網格方式提高效率。選擇防浪板底部為固定面，對2 種防浪板進行模態(tài)分析，結果分別如圖12、圖13 所示。

圖12 矩形防浪板前6 階固有頻率振型圖Fig.12 Pattern of the first six order natural frequencies of the rectangular wave shield

圖13 拱形防浪板前6 階固有頻率振型圖Fig.13 Pattern of the first six order natural frequencies of the arched wave shield

前6 階2 種防浪板模態(tài)仿真數據結果如表4、表5 所示，可以看出：（1）隨著固有頻率提高，矩形防浪板最大形變量逐漸往下，表示隨頻率提高矩形防浪板下端易發(fā)生破壞；隨著固有頻率提高，拱形防浪板在3 階、4 階容易發(fā)生共振。（2）由于模態(tài)頻率低，反映出整體結構強度低[9-10]。可以發(fā)現(xiàn)，矩形防浪板低頻率在前6 階很集中，而拱形防浪板在前6 階的頻率都高于矩形防浪板，由此可得矩形防浪板比拱形防浪板更易被破壞。

表4 矩形防浪板前6 階固有頻率Tab.4 The first six natural frequencies of rectangular wave shields

表5 拱形防浪板前6 階固有頻率Tab.5 The first six order natural frequencies of arched wave shields

5 結論

通過ANSYS 油箱液晃仿真，可以發(fā)現(xiàn)矩形防浪板和拱形防浪板對于減小液體晃動效果相同。由于拱形承受載荷時，能把壓力向下、向外傳遞給相鄰的部分，拱形各部分相互擠壓，使之結合得更加緊密，所以拱形的抗壓能力更出色。

通過ANSYS 流固耦合仿真結果，可以發(fā)現(xiàn)在相同流速的水流沖擊下，矩形防浪板的形變更明顯，形變量更大，所受應力比拱形防浪板的更大。

前6 階固有頻率模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，矩形防浪板低頻率模態(tài)較為集中，拱形防浪板固有頻率遠高于矩形防浪板固有頻率。

從模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生共振時，矩形防浪板在前6 階都會發(fā)生明顯形變，而拱形防浪板只有在第3、4 階發(fā)生較為明顯的形變，發(fā)生嚴重形變的情況更少。

對于模態(tài)分析中出現(xiàn)的問題，可以通過改善防浪板焊接點、在焊接處進行加固、改良材料性能、提高剛度達到提高固有頻率、緩解受力的效果。