燃油箱SPH粒子模拟方法在碰撞中的研究

摘要：本文基于车体结构燃油箱周围零部件所组成的子模型，利用SPH粒子技术，采用RADIOSS显式求解器，初步考察分析在整车碰撞过程中燃油箱内油液的动态特性，分别通过对燃油箱加载等效载荷与SPH粒子载荷两种不同方式，比较燃油箱在运动过程中的变形及应力应变特征分布的差异。通过解析油液SPH粒子的实际运动形式，用来详细考察燃油箱在碰撞过程中由于油液晃动而产生的潜在失效模式。最终通过在整车碰撞中的仿真模拟，再现了SPH粒子在整车中的作用。本文仅针对SPH粒子做初步研究，后期将考虑车体变形与油液晃动的综合影响。
关键词： SPH粒子；燃油箱；碰撞模型；油液晃动

前言

为了考虑燃油箱在追尾碰撞时可能有起火或爆炸的风险，以及汽车行驶过程中燃油箱内油液长时间晃动会使燃油箱结构连接件松动，结构局部磨损或产生裂纹而造成燃油泄漏。从2006年7月1日起，《汽车侧面碰撞的乘员保护》、《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》两项强制性国家标准开始实施，“双碰”标准的执行表现出国家对汽车行驶安全的重视。乘用车后碰撞燃油系统安全的衡量标准主要是依据汽车后面碰撞试验，后碰试验主要检验汽车发生后部碰撞时燃油箱的安全性能。主要针对汽车碰撞过程前后燃油泄漏情况、燃料燃烧情况、以及蓄电池的位置等检测项目进行检验。
本文基于车体结构燃油箱及其周围零部件组成的子模型，采用RADIOSS显式求解器，利用SPH粒子技术[1]，针对整车后面碰撞过程中，燃油箱周围变形以及燃油箱内部油液的晃动对燃油箱的影响进行有限元模拟和初步的研究。通过碰撞仿真分析计算，进而得出碰撞过程中油液晃动对燃油箱的撞击而产生的应力分布的变化过程，分析燃油箱的变形、应力、应变分布等情况，可以初步评估出整车在撞击时燃油箱发生的破坏情况。最终通过在整车后碰模型中的应用，再现了油液SPH粒子的有效的作用。

1 模型组成介绍

1.1 子模型的结构

依据整车碰撞模型，首先截取整车车体结构中燃油箱周围零部件组成了一个子模型，主要包括燃油箱总成、油箱吊带、安装支架、后座椅地板、后纵梁及燃油箱附近的其它零部件等，如图1所示。模型内部也包含有效的连接及接触。

图1 包含燃油箱特征的子模型 图2 车体结构的约束方式

1.2 边界条件的设置

关于模型边界条件的设置，该模型考虑车体结构不发生碰撞变形，而是只考虑整车碰撞时的加速度的变化对燃油箱内部的油液的运动的影响。约束子模型中车体结构的边界，如图2所示，并在车体上赋予整车碰撞的加速度曲线，考察整体运动过程中油液的运动形式。

2 燃油箱的加载方式介绍

在本文中，针车体结构子模型，对燃油箱的不同加载方式进行了比较。第一种方式是采用燃油箱等效配重模拟油液质量，第二种方式是在燃油箱内采用SPH粒子模拟油液，初步比较了两个工况下燃油箱变形模式的差异性。

2.1 等效配重燃油表达方式

在整车碰撞CAE仿真分析中，一般情况下，我们都会采用在燃油箱所有单元或节点上增加等效配重的方式来实现，如图3所示。这种加载方式，很难模拟出在碰撞过程中燃油箱内部油液的晃动产生的影响。

图3 在燃油箱上附加等效配重

2.2燃油的SPH粒子表达方式

1. SPH粒子的特点

SPH的全称是光滑粒子流体动力学——Smoothing Particle Hydrodynamics. 它是在流体力学计算领域相对新型的方法，它的理论基础来源于粒子方法，粒子方法是把连续的物理量用多数粒子的集合来插值的数值解析方法。比如，将连续体的运动用有限数量的粒子运动来离散化，它与有限体积法和有限元法不同，具有完全Lagrangian方法并不用网格的特点。粒子法由于没有网格，因此不会发生界面变形大所引起的计算溢出的问题，而且，对流体的分离和合体这样的拓扑学的复杂变化也不需要特殊的计算手段[3]。采用这种SPH粒子的优点不仅是很容易地用于大变形的界面，而且没有必要进行烦杂的网格生成等工作，适用于复杂自由的液面流体， 如图5所示。

图4 燃油箱内加入SPH粒子图5 SPH粒子显示的特征

2. 有限元的表达方式
对于SPH粒子，在整车碰撞中的应用还很少。虽然SPH粒子的理论知识比较复杂，但采用RADIOSS求解器，用有限元专业语言的表法方法却是非常简单。每个SPH粒子都是属于一种SPHCEL类型的一维单元，由单元的节点号组成。SPH粒子的属性类型为专属的SPH类型，其中包括Mp(粒子的质量)，Qa和Qb(非线性、线性体积粘度系数)，h(光顺距离)等主要的关键参数。SPH粒子的材料类型为HYD_VISC，其中包括密度、粘性系数等，为一种流体力学中使用的粘性流体材料[1]。

3. 燃油箱内SPH粒子表达形式

文献研究表明燃油箱内油液占容积的三分之二左右时，油液晃动最为剧烈[2]，本文子模型中加入了约油箱体积70%的SPH粒子，用于评估碰撞时的伤害情况，如图4所示。

3 子模型仿真结果

3.1 SPH粒子在燃油箱内的运动形式

通过对子系统边界条件的加载，采用RADIOSS显式求解器对其进行求解计算，最终得出子系统燃油箱内SPH粒子的运动情况。图6表示的是不同运动时刻模型内部液体的运动情况，主要包括初始时刻、25ms、40ms、60ms、70ms、90ms等时刻。通过在整个过程中对油液运动的分解，从截面图中可以清楚的看到燃油箱内部油液的运动方式。

图6 子模型中油液在燃油箱内部的运动过程分解

3.2燃油箱应力云图比较

作者又比较了对燃油箱采用等效配重和SPH粒子两种不同的加载方式，而得到的计算结果。图7为不同工况下燃油箱表面应力分布云图。

(a) 等效配重 (b) 添加SPH粒子
图7 燃油箱应力云图比较

从燃油箱的应力分布云图上可以看出，添加等效配重的效果与添加SPH粒子的效果，在碰撞过程中燃油箱的应力分布位置以及变形趋势是不一样的，尤其是燃油箱底面应力的分布。采用SPH粒子，可以模拟出碰撞过程中燃油箱内油液在不同时刻对燃油箱产生的作用力分布情况。

4 整车后碰模型仿真结果

将带有SPH粒子的燃油箱放于整车50km/h的后碰模型中，经过仿真分析计算，将整车后碰时油液运动（图8）与子模型中油液运动（图6）进行比较，可以看到燃油箱内部油液在整个过程中的运动模式与子模型中的运动模式非常接近。此时，燃油箱的应力应变变化，不仅包含了整车碰撞中结构变形对燃油箱的影响，而且也包含了燃油箱内部油液运动对燃油箱的影响因素。

图8 整车后碰油液在燃油箱内部的运动过程分解

在整车碰撞工况中，燃油箱由于油液晃动而产生的变形相对于外界的碰撞变形来说是比较微小的，燃油箱的变形主要还是来自于外界的碰撞挤压变形。

采用SPH粒子新技术，可以更加详细的模拟分析在整车碰撞过程中燃油箱内油液的运动状态变化对燃油箱产生的影响。从而可详细的预测在整车碰撞物理试验过程中，由于内部液体的运动和冲击而使燃油箱结构发生变化的相应关系。

5 结论

本文基于车体结构燃油箱及其周围零部件组成的子模型，采用RADIOSS显式求解器，利用SPH粒子技术，针对整车后面碰撞过程中，燃油箱周围变形以及燃油箱内部油液的晃动对油箱的影响进行有限元模拟和初步的研究。由于采用SPH粒子的特点，可以妥善处理了液固耦合等非线性问题，从而保证了计算的收敛与稳定[4]。在整车碰撞工况中，燃油箱由于油液晃动而产生的变形相对于外界的碰撞变形来说是比较微小的，燃油箱的变形主要还是来自于外界的碰撞挤压变形，在变形大的情况下，会使燃油箱局部发生大的变形，增加燃油箱破裂、燃油泄露等风险。

本篇文章针对油液对燃油箱的作用采用SPH粒子方法做了初步研究，通篇看来，可以察觉到研究仍存在许多不足之处。比如，需要进一步详细考虑燃油箱的内部结构对液体的影响，包括油泵、油液内传感器、燃油箱内栅格等，详细分析燃油箱的复合材料特性，以及燃油箱内部压力的变化、燃油箱内液体和空气之间的相互耦合作用而产生的影响等等。

6 致谢

在此模型调试计算过程中，感谢Altair公司欧贺国先生提供的技术支持。

7 参考文献
[1]. Altair HyperWorks 11.0 Help: RADIOSS, MotionSolve, and OptiStruct Overview
[2]. 耿广锐,杨宇.载重汽车油箱晃动对其传感器强度的分析[J].汽车科技,2009年02期
[3]. 金阿芳,买买提明艾尼.论光滑粒子流体动力学(SPH ) 方法.新疆大学学报,2006年02期,188-193
[4]. 孙淑苓,刘玉琦,周安宁等.油液晃动及箱体耦联振动计算方法研究.航空学报,1990年05期,223-226