燃油箱SPH粒子模擬方法在碰撞中的研究
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為了考慮燃油箱在追尾碰撞時可能有起火或爆炸的風(fēng)險，以及汽車行駛過程中燃油箱內(nèi)油液長時間晃動會使燃油箱結(jié)構(gòu)連接件松動，結(jié)構(gòu)局部磨損或產(chǎn)生裂紋而造成燃油泄漏。從2006年7月1日起，《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》、《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》兩項強制性國家標準開始實施，“雙碰”標準的執(zhí)行表現(xiàn)出國家對汽車行駛安全的重視。乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全的衡量標準主要是依據(jù)汽車后面碰撞試驗，后碰試驗主要檢驗汽車發(fā)生后部碰撞時燃油箱的安全性能。主要針對汽車碰撞過程前后燃油泄漏情況、燃料燃燒情況、以及蓄電池的位置等檢測項目進行檢驗。
本文基于車體結(jié)構(gòu)燃油箱及其周圍零部件組成的子模型，采用RADIOSS顯式求解器，利用SPH粒子技術(shù)[1]，針對整車后面碰撞過程中，燃油箱周圍變形以及燃油箱內(nèi)部油液的晃動對燃油箱的影響進行有限元模擬和初步的研究。通過碰撞仿真分析計算，進而得出碰撞過程中油液晃動對燃油箱的撞擊而產(chǎn)生的應(yīng)力分布的變化過程，分析燃油箱的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布等情況，可以初步評估出整車在撞擊時燃油箱發(fā)生的破壞情況。最終通過在整車后碰模型中的應(yīng)用，再現(xiàn)了油液SPH粒子的有效的作用。
1 模型組成介紹
1.1 子模型的結(jié)構(gòu)
依據(jù)整車碰撞模型，首先截取整車車體結(jié)構(gòu)中燃油箱周圍零部件組成了一個子模型，主要包括燃油箱總成、油箱吊帶、安裝支架、后座椅地板、后縱梁及燃油箱附近的其它零部件等，如圖1所示。模型內(nèi)部也包含有效的連接及接觸。
圖1 包含燃油箱特征的子模型 圖2 車體結(jié)構(gòu)的約束方式
關(guān)于模型邊界條件的設(shè)置，該模型考慮車體結(jié)構(gòu)不發(fā)生碰撞變形，而是只考慮整車碰撞時的加速度的變化對燃油箱內(nèi)部的油液的運動的影響。約束子模型中車體結(jié)構(gòu)的邊界，如圖2所示，并在車體上賦予整車碰撞的加速度曲線，考察整體運動過程中油液的運動形式。
2 燃油箱的加載方式介紹
在本文中，針車體結(jié)構(gòu)子模型，對燃油箱的不同加載方式進行了比較。第一種方式是采用燃油箱等效配重模擬油液質(zhì)量，第二種方式是在燃油箱內(nèi)采用SPH粒子模擬油液，初步比較了兩個工況下燃油箱變形模式的差異性。
2.1 等效配重燃油表達方式
在整車碰撞CAE仿真分析中，一般情況下，我們都會采用在燃油箱所有單元或節(jié)點上增加等效配重的方式來實現(xiàn)，如圖3所示。這種加載方式，很難模擬出在碰撞過程中燃油箱內(nèi)部油液的晃動產(chǎn)生的影響。
圖3 在燃油箱上附加等效配重
1. SPH粒子的特點
SPH的全稱是光滑粒子流體動力學(xué)——Smoothing Particle Hydrodynamics. 它是在流體力學(xué)計算領(lǐng)域相對新型的方法，它的理論基礎(chǔ)來源于粒子方法，粒子方法是把連續(xù)的物理量用多數(shù)粒子的集合來插值的數(shù)值解析方法。比如，將連續(xù)體的運動用有限數(shù)量的粒子運動來離散化，它與有限體積法和有限元法不同，具有完全Lagrangian方法并不用網(wǎng)格的特點。粒子法由于沒有網(wǎng)格，因此不會發(fā)生界面變形大所引起的計算溢出的問題，而且，對流體的分離和合體這樣的拓撲學(xué)的復(fù)雜變化也不需要特殊的計算手段[3]。采用這種SPH粒子的優(yōu)點不僅是很容易地用于大變形的界面，而且沒有必要進行煩雜的網(wǎng)格生成等工作，適用于復(fù)雜自由的液面流體， 如圖5所示。
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