宋慶華

摘要：為了能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段，預(yù)測出燃油箱的晃動噪音水平，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而最大程度上確保產(chǎn)品通過噪音實驗。文章利用Abaqus軟件的CEL功能，實現(xiàn)了流固耦合分析，利用Abaqus軟件的聲學(xué)分析功能，完成了聲固耦合分析，從而實現(xiàn)了完整油箱晃動噪音模擬。

關(guān)鍵詞：CEL；流固耦合；燃油箱；晃動模擬

中圖分類號：TN941 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0058-02

車輛的噪音水平一直以來都是衡量其舒適性的重要指標(biāo)。近些年來，隨著人們對車輛舒適性要求的日益提高以及發(fā)動機(jī)、傳動系等“傳統(tǒng)”噪音源的噪音強(qiáng)度的不斷降低，之前一些被“隱藏”的噪音源日益引起了人們的關(guān)注，燃油箱的晃動噪音就是其中之一。而對于目前日益普及的混合動力車輛，在發(fā)動機(jī)關(guān)閉階段，燃油箱的晃動噪音則可能就是整車的主要噪音源。

鑒于燃油箱晃動噪音在車輛舒適性中的日益重要的地位，利用目前日益成熟的計算機(jī)仿真技術(shù)，在燃油箱設(shè)計開發(fā)早期，預(yù)測出由于燃油箱內(nèi)部液體晃動而產(chǎn)生的外部聲壓分布，以此為依據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而最大程度上確保燃油箱通過開發(fā)后期的噪音實驗，進(jìn)而滿足顧客對車輛舒適性的要求，就顯得非常有實際意義和價值。

1 模擬思路

車輛在行駛過程中，尤其是在加/減速過程中，燃油箱內(nèi)部的燃油由于慣性作用，將會發(fā)生晃動，從而拍打油箱壁面，使其發(fā)生振動，向外輻射噪音。該晃動及其輻射噪音的強(qiáng)度受燃油箱的幾何形狀、裝液高度、燃油類型和外部激勵等因素影響。基于上述燃油箱晃動噪音發(fā)生原理，在保證精度和兼顧效率的原則下，本文提出了如下模擬思路：

2 模擬流程

根據(jù)以上模擬思路，整個燃油箱晃動噪音模擬主要包含三部分內(nèi)容：外部激勵作用下燃油箱內(nèi)部燃油與油箱本體之間相互作用的流固耦合分析、箱體表面振動向外輻射噪音的聲固耦合分析以及二者之間的數(shù)據(jù)傳輸。

目前流固耦合分析是很多企業(yè)面臨的急需解決的關(guān)鍵問題之一。之前，工程師嘗試過多種方法解決流固耦合問題，但都存在計算速度跟不上、多種軟件實現(xiàn)耦合功能前處理復(fù)雜等一系列技術(shù)問題。Abaqus軟件推出的CEL功能，采用Abaqus/Explicit求解器進(jìn)行計算，并且流體材料屬性、流體邊界、荷載及流體網(wǎng)格等流體相關(guān)前處理都與固體結(jié)構(gòu)前處理一同集成在Abaqus/CAE模塊中。因此采用CEL功能進(jìn)行流固耦合分析，既有較高的計算速度，同時相關(guān)耦合的前處理也極為便利。

傳統(tǒng)的流體分析中，流體網(wǎng)格都是固定在空間中。如果流固耦合分析中，固體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的運(yùn)動軌跡，那么流體網(wǎng)格必須足夠大到包含全部固體結(jié)構(gòu)運(yùn)動軌跡。最新推出的Abaqus 6.10則可以使用運(yùn)動流體網(wǎng)格，流體網(wǎng)格只需要包含固體結(jié)構(gòu)即可，無需包含整個運(yùn)動軌跡，從而可以極大地減少計算成本，進(jìn)一步提高計算速度。使用CEL技術(shù)，模擬持續(xù)時間為3秒的流固耦合分析，在16CPUs工作站上，只需要55小時。如此短的計算時間，使用其他軟件是不可能得到的。

同時，Abaqus軟件也具有強(qiáng)大的聲學(xué)分析功能，完全可以滿足燃油箱晃動噪音模擬中聲固耦合分析的需求。整個燃油箱晃動噪音模擬中的流固耦合分析與聲固耦合分析都可以集成在Abaqus軟件中，則二者之間的數(shù)據(jù)傳輸也可以很方便地實現(xiàn)。根據(jù)上述論述，本文提出了如下基于Abaqus燃油箱晃動噪音模擬流程：

3 工程實例

3.1 分析模型

本文利用上述模擬流程對圖3所示的同一型號油箱的兩種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了晃動噪音模擬。

3.2 流體區(qū)域

初始充液區(qū)域采用EOS模型中Us-Up狀態(tài)方程模擬；其他流體區(qū)域為Void；整個流體區(qū)域施加重力場，如圖4

所示：

固體結(jié)構(gòu)：燃油箱作為柔性體，使用殼單元模擬；燃油箱本體與鋼帶之間使用Tie連接；燃油箱系統(tǒng)與車身連接區(qū)域施加外界加速度荷載，如圖5所示：

流固耦合：通過Abaqus/Explicit中設(shè)置general contact模擬燃油箱內(nèi)部燃油與油箱本體之間的相互作用，實現(xiàn)流固耦合分析。

聲固耦合：使用聲學(xué)單元在油箱外部建立聲腔模型，在聲腔外部使用無限單元模擬無限大聲場；荷載為流固耦合分析中得到的油箱本體位移結(jié)果，如圖6所示：

3.3 模擬結(jié)果

4 結(jié)語

實現(xiàn)汽車燃油箱晃動噪音模擬的關(guān)鍵，是現(xiàn)實流固耦合分析——燃油箱晃動模擬，進(jìn)而將其所得到的位移結(jié)果，作為輸入荷載，進(jìn)行聲固耦合分析，得到燃油箱外部的聲壓分布。本文利用Abaqus軟件的CEL功能，完成了燃油箱晃動模擬，并取得了較好的計算速度，利用Abaqus軟件的聲學(xué)分析功能，完成了后續(xù)的聲固耦合分析，得到了所需的燃油箱外部聲壓分布，最終得到了一套基于Abaqus軟件的燃油箱晃動噪音模擬流程。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉亮.汽車塑料油箱發(fā)展趨勢[J].輕型汽車技術(shù)，2006，11（2）.

[2] CWachowski.Holistic Investigation on Sloshing

Noise. Tank Tech，2009.

[3] AUS DER WIESCHE，S. Noise due to sloshing within automotive fuel tanks.Springer-Verlag，Heidelberg，2005.

[4] Fan Li， Peiran Ding， Steve Sibal. Coupled Fluid/Structure Interaction Simulation Using Abaqus CEL.

（責(zé)任編輯：秦遜玉）