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油箱晃动及传感器强度的分析研究
发表时间:2009-11-16    作者: 杨宇  来源: 安世亚太
油的粘性较大,汽车在行驶过程中加速度的变化幅度也很大,在现有的试验手段中,很难测定油在行驶汽车中的晃动对油箱内传感器的冲击力大小。本文通过CFD仿真和有限元分析相结合的方法,以流体计算软件计算出传感器受到的压力分布,分析油箱晃动对传感器产生的影响;并以此压力分布作为边界条件,计算传感器的材料强度是否符合要求,燃油的晃动是否会对传感器造成破坏。
 

1 前言
    在汽车设计中,会遇到很多的问题,这种高速工具在行驶中对强度的要求是最基本的。速度越大,各部件的强度及刚度受到的挑战也越大。一般情况下,检验部件刚度和强度是否符合要求直接采用试验的方法。在CAE仿真大量被采用的时代,通过CAE软件可以模拟出现实工况,找出问题所在。而本文所分析的油箱内的传感器由于其所处环境的特殊性,试验的方法是很难准确测出其受到的冲击力。
    本文中的载重汽车油箱中传感器的导杆材料采用铝合金,外罩多半采用硬质PVC。汽车在高速路面行驶,加速减速,汽车盛装的油晃动特别剧烈;而且,较之水的粘性,油粘性系数更大,油箱中心的传感器必定受到来自油的巨大的压力。同时,一般传感器的结构不仅贯穿整个油箱,长度与油箱的高度相当,且直径很小,细而长的结构加剧了其被损坏的风险。因此,传感器的设计更加值得研究关注。
    这里我们采用CFD仿真模拟出油在箱内的晃动,进而得出传感器上压力的分布,以此作为边界条件计算其强度,最终计算出传感器的最大位移和最大应力。这种方法对汽车上很多部件的仿真计算都有很强的应用意义。
2 数学模型及几何模型
    VOF模型主要针对两种和多种不相容流体的计算模型,如果各形态物质在容积内所占体积的比例为αq ,αq=0,则表示物质q所占体积为零;αq=1,表示物质存在于全部空间。不同物质间的界面变化是由连续量方程来计算完成:


    在分析中,油箱中存在两种流体,一种是燃油,一种是空气,且假设两种流体均不可压缩。液面随时间变化,计算VOF模型的非定常问题,收敛是其中一个需要注意的问题,因此,在时间步长的设定和压力离散格式的选取上要多下功夫。虽然这里面有一定的经验,但是一般来说,VOF模型的计算时间步长的设置尽量小一些。
    该油箱的体积较大,容积可达到400L。下图中颜色较深的部件就是传感器,它处于油箱的中心处,它的两旁有两片金属,焊接在油箱的内壁,金属片上布满多个圆孔以便油在各区间相互流通。


图1 油箱的几何模型


3 计算结论及分析
    根据对日常车油箱的状态大致了解的情况下,我们选取两种情况进行的分析,第一种燃油占油箱的一半;第二种燃油占油箱的三分之二;两种工况下,油箱箱体均受到沿车行驶方向上的3g的加速度;以下两图展示的初始状态下两种流体在油箱中的状态,红色表示燃油。


图2 1/2燃油的初始分布


图3 2/3燃油的初始分布分页


    在一半燃油的工况下,油的晃动非常剧烈;3g的加速度使得燃油很快的运动。在2秒的计算时间内,最终找出0.5秒时传感器受到的压力最大,波动的油对传感器底端,中部都形成了很大的压力(见图5),最大的相对总压达到了1×104量级。


图4 0.5秒时油的形态(1/2燃油工况)

图5 传感器压力分布图(1/2燃油工况)


    相比于二分之一燃油的情况,燃油的增加显然减小了速度变化造成的油波动的剧烈程度。三分之二燃油的情况下,燃油虽然同样的形成了晃动,但是油的波动温和得多,对于传感器的冲击也小的多。这在传感器的压力分布上就看得出来。


图6 0.5秒时油的形态(2/3燃油工况)

图7 传感器压力分布图(2/3燃油工况)


    CFD分析工作完成之后,导出传感器表面的压力分布,然后将压力结果作为边界条件Mapping到传感器结构分析模型上对其进行强度分析,下图为进行强度分析的传感器模型和边界条件示意图。


图8 进行强度分析的传感器模型和边界条件示意图


图9 A工况下 0.5秒时间点的应力分布图(单位:KPa)


4 结论
    通过对该项目多方面综合的分析,发现一半油工况时传感器外壳受力大于 2/3油的工况,说明在同样的加速边界作用下,燃油更多,箱内流体运动相对没有那么剧烈,对传感器外壳冲击力反而小。(注:这并不表明油越少,对传感器外壳的冲击力越大)
    对于结构分析得出传感器外壳所受应力不足以使其破坏,剪切力不足以使 PVC管破裂,格栅在很大程度上减小了油的晃动。

责任编辑:杜凯
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