轎車油箱油液晃動噪聲的仿真研究

□ 祁 濤 □ 朱天楷 □ 朱植永 □ 熊 杰 □ 楊 柳 □ 鄧 娜

東風亞普汽車部件有限公司技術中心 武漢 430056

1 研究背景

汽車油箱作為汽車動力系統的重要組成部分，起存儲燃油并持續為發動機提供燃油的作用。在汽車行駛過程中，由于車速變化，油箱的燃油會在油箱內產生晃動，油液撞擊油箱壁或油液相互撞擊飛濺而產生噪聲，影響乘客乘坐汽車的舒適性［1-4］。因此，對油箱內油液的晃動情況進行仿真，分析油液在汽車行駛過程的流動情況，從而改善油箱結構，使油液晃動產生的噪聲變小，十分有必要。

對于油液晃動噪聲，主要的處理方式有兩種［5-6］：①采用防浪板，主要用于商用車油箱，因為商用車油箱造型簡單，具體做法是將防浪板裝在油箱內部，把油液分隔成幾部分，從而使油液晃動減小，然而對于塑料油箱，采用此方式，如何將防浪板放入油箱是一個難點；②通過油箱自身結構的改進來減小晃動，采用新工藝制作，對油液的晃動起到減緩作用。

以某型轎車油箱為例，采用STAR-CCM+計算流體動力學（CFD）軟件對油液的晃動進行模擬，通過對油箱內油液晃動模擬來研究油液在汽車行進過程中的流動狀態。模擬過程為采用目標流體體積與網格體積的比值（VOF）模型處理油液與空氣交界的自由液面，液相選取與97號汽油相當的混合物作為汽油的成分，對油箱及油液加載一個2 s的減速和加速過程，用以研究在此過程中油液在油箱中的晃動情況［7］。采用ACTRAN軟件進行油液的晃動噪聲模擬，以STARCCM+軟件模擬出的油箱壁面壓力結果為輸入條件，最終得到不同振動頻率下油液晃動噪聲值的大小。

2 CFD仿真模型

筆者所使用的油箱結構如圖1所示，屬于油箱系統的簡化模型。由于油液的晃動噪聲發生在油箱本體結構上，為了提高分析效率，縮短分析時長，對油箱相關部分進行簡化，去除油箱上表面的管道、與本體連接的注油管和碳管等，僅針對油箱本體內部油液的晃動進行模擬，油液及空氣的初始分布采用軟件中的VOFWave模型進行描述。

▲圖1 油箱結構

模型中所使用油箱網格尺寸為3 mm，網格類型為Trim單元，總體單元數目為3 754 600。選用條件如下：①VOF模型模擬油箱在汽車行駛過程中加速或減速時由于晃動產生的自由液面；②隱式非定常流動模擬隨時間不斷變化的晃動油液；③Realizable K-ε湍流模型和歐拉多相流模擬晃動時的液相和氣相，考慮重力場對油液晃動的影響。

模擬汽車行駛過程中的加速和減速階段，因為這兩個階段最可能產生油液晃動噪聲。油箱加減速曲線如圖2所示。圖2中：0～0.5 s加載的加速度為負值，用來模擬汽車在剎車過程中的油液晃動情況；0.5～1.5 s加載的加速度為正值，用來模擬汽車在加速前進時的油液晃動情況；1.5～2 s加載的加速度為0，用來模擬汽車勻速前進時的油液晃動情況。假設油箱中只有汽油和空氣兩種物質，選取異辛烷和正庚烷混合物作為汽油的成分，其配比與97號汽油相同，不考慮汽油蒸發產生油蒸氣，兩種物質的材料參數采用軟件自帶的默認參數。

▲圖2 油箱加減速曲線

▲圖3 油箱表面壓力分布云圖

3 油液晃動仿真結果

對油箱油液為100%額定容積時在0.6 s、0.9 s、1.2 s、1.5 s時的油液晃動分布情況進行觀察，當油箱運動到0.6 s時，油箱處于剎車減速剛結束、加速剛開始的階段，因此油箱中的油液因速度大于汽車速度而撞向油箱前壁。當油箱運動到0.9 s時，油箱處于加速度增大的階段，此時油液的速度小于油箱的速度，因此油液從油箱前壁向油箱后壁流動，并有一部分撞擊到油箱頂面。當油箱運動到1.2 s時，油箱處于加速度減小的階段，此時油液的速度大于油箱的速度，因此油液從油箱后壁向油箱前壁流動。當油箱運動到1.5 s時，油箱處于勻速運動階段，此時油液開始從油箱前壁慢慢向下流動，油液液面恢復平緩。

圖 3 所示為油箱分別在 0.6 s、0.9 s、1.2 s、1.5 s 時表面的壓力分布云圖。從圖3可以看出，在不同時間時油箱表面的壓力是不同的，將油箱的壓力云圖結果作為輸入條件，通過ACTRAN軟件可以得到油箱不同頻率下油液晃動而產生的噪聲最大值。

后續采用相同的模型、相同的加速度邊界條件分別進行油液為10%、30%、50%和70%額定容積時的晃動仿真。由于仿真結果類似，因此不再對其它容積條件下的晃動結果進行論述。

4 油液晃動噪聲仿真模型

油液晃動噪聲仿真模型由油箱、油箱外的空氣及將空氣包圍的無限元組成，如圖4所示。監測點位于油箱上表面上方500 mm處。油箱采用殼單元，厚度5 mm，空氣采用流體單元，將油箱外壁包裹起來，空氣模型的外表面采用無限元，用來模擬無反射噪聲。

▲圖4 油液晃動噪聲仿真模型

汽車噪聲評價標準主要為乘客的舒適度［8］，同時，根據噪聲的傳遞路徑及分析方法［9-11］，考慮將噪聲監測點布置在與油箱上表面有500 mm距離的位置，用來模擬在駕駛室中可以感受到噪聲。噪聲分析過程中使用的材料為高密度聚乙烯和空氣，其材料參數見表1。在進行噪聲分析時，將流體分析的結果轉換為ACTRAN軟件的輸入邊界條件，即將油箱表面的壓力時域分析結果轉換為頻域分析結果。

表1 材料參數

5 油液晃動噪聲仿真結果

噪聲的評價參考了某企業油液晃動噪聲試驗標準，分析選取振動頻率100～1 000 Hz時的噪聲，并輸出在油箱正上方500 mm處監測點的結果，如圖5所示。

從圖5可以看出，在不同容積和不同振動頻率下的油液晃動噪聲值是不同的。容積為10%時，油液晃動噪聲值在不同振動頻率時均為最小。其中：在100～700 Hz范圍內，油液晃動噪聲產生的聲壓級均小于30 dB；振動頻率為400 Hz時聲壓級為13.663 dB，是油液晃動產生的噪聲最小值；在700～1 000 Hz范圍內，油液晃動噪聲值則有所增大。容積30%與容積10%時油液晃動噪聲值的變化趨勢相近，在低頻部分，噪聲值比較小，而在高頻部分，噪聲則比較大。在容積為50%時，油液晃動噪聲值在50～60 dB之間，高頻部分噪聲值比低頻部分略大，只有700 Hz時的晃動噪聲值較小。容積70%與容積50%時油液晃動噪聲值的變化趨勢相近，但是整體噪聲值更大，并且油液晃動噪聲最大值出現在容積70%時，此時振動頻率為800 Hz，聲壓級為69.188 dB。在容積100%時，油液晃動噪聲值在100～500 Hz范圍內不斷增大，而在 500～1 000 Hz范圍內則逐漸減小。

▲圖5 油液晃動噪聲頻域分析結果

從以上分析可以發現：當油箱內的油液比較少時，油液晃動噪聲主要在高頻部分，即700 Hz以上；當油箱內的油液大于額定容積50%時，油液晃動產生的噪聲在不同振動頻率段差別比低容積時變化小，但是整體平均噪聲值更大。此外，根據試驗標準可知，仿真結果得出的油液晃動噪聲值符合設計時對噪聲最大值的要求。

6 結論

通過對油箱進行加速和減速過程的模擬，觀察油箱內油液的晃動情況及壁面壓力，并通過壁面壓力得到噪聲仿真結果，可以得出以下結論：

（1）油液較少時，油液晃動產生的噪聲在高頻段比低頻段更加明顯，而在油液大于額定容積50%時，油液晃動產生的噪聲在各頻率差別較小；

（2）油液晃動的最大噪聲并不是發生在油液達到額定容積100%時，而是在油液為額定容積70%，振動頻率為800 Hz時，最大噪聲值為69.188 dB，模擬結果滿足設計對噪聲值的要求；

（3）可以考慮改變油箱上下表面結構設計，增加凹陷或者凸起區域，用以減緩油液在油箱中的晃動，達到降低噪聲的效果。