粒子法模拟技术：精准再现油液冲击效应

碰撞分析模拟中，受限于模型规模和计算时间的要求，燃油箱中油液的处理方法是将其质量等量附加在油箱上。该方法可以满足进行前舱结构设计的精度要求。

碰撞工况中燃油液处理方法

本案例问题是在正面高速碰撞过程中油箱固定支架失效，油箱脱离车架后接触尖锐物导致油液泄漏。应用常规的方法不能很好模拟油箱支架的受力过程。为精确的分析油液冲击过程，采用光滑粒子流体动力学（Smooth Particle Hydrodynamics）方法。

SPH方法介绍

SPH方法是一种纯拉格朗日的具有无网格、自适应属性的流体动力学求解方法。采用SPH粒子方法，没有必要进行繁复的网格生成及优化网格的工作。在SPH方法中，对任意函数，其积分近似表达为：

其中，<f(x)>为函数f(x)的近似值，x为位置矢量，Ω为包含x的积分体。简单来说，SPH是将流体简化为粒子，应用场函数代表粒子间的相互作用，每个粒子受到周围粒子的作用叠加求和。见下图示。

SPH分析模型

选取燃油箱总成、油箱绑带、安装支架、车架纵梁、车架横梁以及相关联的其它零部件等作为子系统研究对象，如图3所示。整车加速度波形作为燃油箱子系统的受力来源。在子系统仿真模型中，采用燃油箱附件的车身结构上的3向加速度波形曲线模拟燃油系统在整车中的运动模式。

图3 仿真模型

基于整车64公里偏置碰撞工况下的试验数据，燃油箱的绑带在冲击过程中滑脱，CAE仿真结果显示燃油箱绑带的运动状态如动画所示。

燃油箱绑带的运动状态

可知，采用SPH粒子模型进行燃油箱系统碰撞仿真时，油液对油箱有冲击作用并且使绑带滑脱。仿真分析显示，SPH粒子模型燃油箱绑带截面力峰值力为12kN，在考虑燃油系统流固耦合的情况下，油液对油箱的冲击作用很大，不能够忽略。仿真燃油箱的云应变和绑带截面力结果如下图4和图5所示。

图4 燃油箱的云应变

图5  绑带截面力仿真结果

采用SPH粒子模型可以体现出油液在运动过程中对燃油箱的瞬时冲击作用，油箱的变形模式吻合度高，可模拟出油箱绑带滑脱，对比整车试验录像，可得SPH粒子模型与实际情况匹配较好。燃油箱绑带脱落时刻与试验一致。

优化设计与验证

根据SPH仿真模型，分析油箱固定机构失效过程，发现油箱脱落主要是因为油箱绑带从安装孔中滑脱。针对此原因制定了相应的优化方案，阻止油箱绑带的滑动。具体优化方案为：在保证安装工艺可行的前提下，将安装孔从倒“T”型改为“I”型。

             （a）原方案               （b）优化方案

优化前后局部动图

（a）原方案             （b）优化方案

优化前后整体动图

结语

SPH法可有效的模拟碰撞过程中油液对于油箱的冲击效应，以指导油箱固定机构的优化设计；但SPH方法的精度和粒子数量关系很大，导致计算资源及耗费时间急剧增多。

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