制動工況下汽車油箱的數值分析研究

黃 虎，史鳳波，沈民民，孫船斌，童寶宏

(1.安徽福馬汽車零部件集團有限公司，安徽 馬鞍山 243100；2.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

汽車作為貨物的主要運輸方式，具有點對點、方便快捷、運價相對低廉等優點。隨著城市交通日益飽和，汽車行駛的工況多變性增加，對汽車車輛的行駛穩定性要求進一步提高，不僅包括動力、操縱、舒適等方面，更要關注油箱安全。

汽車在高變速的工況下，油箱中的燃油在自身慣性力和重力聯合作用下在油箱中劇烈晃動，產生晃動噪聲[1]，嚴重時會導致燃油供給中斷[2]或者損壞油箱內部結構[3]等問題。為降低燃油晃動對油箱的不利影響，油箱內置防浪板是目前主要降低燃油晃動的方式，并且可以提高油箱結構強度。為改善油箱晃蕩沖擊過程，本文以某種車輛燃油箱為研究對象，采用流固耦合數值模擬方法，分析緊急制動工況下的燃油晃動形態、壓強分布以及應變狀態，研究方法和結果對油箱結構設計和燃油晃蕩穩定分析具有一定的工程應用價值。

1 汽車油箱有限元模型

1.1 模型的簡化與建立

在建立油箱模型之前，忽略油箱結構的焊縫以及進油口和出油口，將油箱和其內部的防浪板建立成一個整體。油箱模型的長、寬、高分別為1 190 mm、630 mm和550 mm，和真實油箱尺寸保持一致；油箱內固定兩塊中心對稱的防浪板，距離為440 mm，將油箱分成了3個艙室，防浪板包含多個孔隙，并且中心為內凹結構。油箱各部分的厚度均為3 mm，通過SolidWorks建立該油箱模型，如圖1所示。

圖1 汽車油箱有限元模型

1.2 網格劃分與材料參數

將油箱模型導入Workbench中的Geometry，直接利用Mesh模塊對模型進行網格劃分，并且控制網格尺寸大小為15 mm。油箱模型的材料為鋁合金，彈性模量為7×104MPa，密度為2.75×103kg/m3，屈服極限為130 MPa。流體域由液相和氣相組成，液相中燃油密度為840 kg/m3，動力黏性系數為1.003×10-3kg·m/s；氣相中空氣密度為1.225 kg/m3，動力黏性系數為1.789 4×10-3kg·m/s。

1.3 制動工況

根據GB12676《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》和GB/T13594《機動車和掛車防抱制動性能和試驗方法》中的規定，汽車在制動初速度v0=30 km/h時，制動距離不能超過9 m，即最小制動加速度為3.86 m/s2，當遇到突發情況需要緊急制動時，制動加速度會更大。根據汽車理論，最大地面制動力等于附著力，可得：

Fmax=φG=φMg.

其中：Fmax為地面制動力；G為汽車重力；M為汽車質量；g為重力加速度；φ為輪胎與路面之間的附著系數。制動加速度與附著系數的關系為：

a=φg.

在潮濕瀝青路面，附著系數φ為0.5～0.8，取制動加速度為0.5g(a=4.9 m/s2)；當緊急制動時，取制動加速度為0.75g(a=7.4 m/s2)。汽車制動后的速度為0，則兩個制動加速度下的制動時間分別為1.696 s和1.126 s，考慮制動后燃油晃動幅度仍較大，數值模擬時間定為3 s。

2 流體分析

數值模擬制動工況下油箱中燃油晃動狀態，屬于多相流非定常問題，卜凱等[4]發現可以將該問題簡化成定常問題，即開始時刻油箱和油液保持靜止狀態，從0時刻起給油液施加一個加速度常量，讓油液與油箱之間產生相互運動，當速度從30 km/h減速至0時，加速度為0，完成汽車緊急制動工況的模擬。

在Fluent中選擇VOF(Volume of Fluid)多相流模型計算，分析設置為瞬態，湍流模型設置為k-ε模型，并設置主次相，利用UDF宏DEFINE_SOURCE定義動量源的形式設置加速度，油箱內充液比為0.5，求解器采用速度壓強耦合求解器PISO，壓力修正方程使用Body Force Weight，時間步長設置為0.000 5 s,共6 000步。

圖2和圖3分別為不同制動加速度下各時刻油液晃動狀態。由圖2和圖3可以看出：當車輛制動后，油液由于慣性力的作用向車輛運動方向撞擊壁面；當制動加速度a=4.9 m/s2時，從0～1.69 s，左側艙室中油液快速填充，大于1.69 s后，此時車輛的加速度為0，油液由于重力作用開始向右側運動；當制動加速度a=7.4 m/s2時，由于在1.26 s時已經減速至0，所以在大于1.26 s后，油液已經開始回流;防浪板的結構阻礙了大部分油液的運動，其中的多孔結構將油液分成多股射流，急劇降低了行進波運動速度。

圖2 制動加速度為4.9 m/s2時氣液兩相圖

圖3 制動加速度為7.4 m/s2時氣液兩相圖

油液晃動作用在油箱壁面的沖擊壓力分為沖擊型脈沖壓力和非沖擊型普通動水壓力。圖4和圖5分別為不同制動加速度下的壓強云圖，無論是不同的加速度還是不同時刻，在汽車制動過程中，油箱最大壓強位置總是出現在油箱左側底部。為此，針對該位置，得到圖6中不同制動加速度下的壓強時程曲線。

圖4 制動加速度為4.9 m/s2時壓強分布云圖

圖5 制動加速度為7.4 m/s2時壓強分布云圖

圖6 不同制動加速度下的壓強時程曲線 圖7 制動加速度為4.9 m/s2的應力極值和形變極值(t=1.54 s) 圖8 制動加速度為7.4 m/s2的應力極值和形變極值(t=0.72 s)

當制動加速度a=4.9 m/s2時，在0～1.69 s壁面壓強一直遞增，這是由于汽車制動后，油液逐漸往左側艙室聚集，形成非沖擊型普通動水壓力；大于1.69 s后，油液開始回流，壓強逐漸降低。當制動加速度a=7.4 m/s2時，在0～0.28 s內，壓強快速增大，這是由于制動瞬間，油箱與油液之間存在較大的加速度差，油液劇烈碰撞油箱壁面產生沖擊型脈沖壓力；之后加速度差減小，壓強降低；在0.72 s時壓強曲線出現最大值，此時油箱與油液之間仍存在加速度差，且油液快速堆積在左側艙室，所以壓力種類由沖擊型脈沖壓力和非沖擊型普通動水壓力組合而成。

以上結果表明：無論是不同的加速度還是不同時刻，最大壓強位置總是出現在汽車運動方向的油箱壁面底處，并且加速度增大會導致沖擊型脈沖壓力的出現，當制動加速度分別為4.9 m/s2和7.4 m/s2時，最大壓強出現的時間分別在1.54 s和0.72 s。需要注意的是，制動加速度為4.9 m/s2時出現最大壓強時間是1.54 s，而并非加速完成時間1.69 s,這可能是由于油液沖擊油箱頂部回流帶來的復雜影響，后續研究中會進一步關注。

3 結構分析

考慮到油箱中油液的沖擊對油箱結構產生的變形微乎其微，為了節省計算資源，使用單向流固耦合方法完成制動工況下油箱結構的計算。將Fluent計算的結果導入Static structural模塊，輸入流體計算的動壓力載荷結果到油箱結構中，求出油箱在制動過程中所受的應力和形變情況。

分別將制動加速度a=4.9 m/s2中t=1.54 s的動壓力載荷與制動加速度a=7.4 m/s2中t=0.72 s的動壓力載荷加載到油箱結構中，得到油箱結構的應力和形變云圖，如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：在1.54 s和0.72 s時刻，兩種制動加速度下的油箱壁面所受最大應力位于箱底，分別為24.28 MPa、21.73 MPa，遠小于材料的屈服極限130 MPa；最大形變位置發生在汽車運動方向的油箱壁面中心處，最大彈性形變量分別為1.97 mm和1.98 mm。

4 結論

本文基于Fluent與Static structural模塊對不同制動加速度下汽車油箱中燃油的晃動情況進行數值仿真分析，得到以下結論：

(1)油箱的最大壓強位置總是出現在汽車運動方向的油箱壁面底處，制動加速度的增大，會導致沖擊型脈沖壓力的出現，當制動加速度分別為4.9 m/s2和7.4 m/s2時，最大壓強出現的時間分別在1.54 s和0.72 s。

(2)兩種制動加速度下油箱壁面的最大應力分別為24.28 MPa、21.73 MPa，均小于材料的屈服極限，符合設計要求。最大形變位置發生在汽車運動方向的油箱壁面中心處，最大彈性形變量分別為1.97 mm和1.98 mm，并未形成永久變形。