基于ABAQUS 的汽車防抱死系統(tǒng)流固耦合分析

錢古椿

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

汽車防抱死系統(tǒng)簡(jiǎn)稱ABS[1]，其作用就是在汽車制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)控制制動(dòng)器制動(dòng)力的大小。其子系統(tǒng)的合理分工對(duì)汽車的安全性能有著重要影響，其中關(guān)鍵是研究子系統(tǒng)的受力狀態(tài)，油壓的流動(dòng)行為。針對(duì)汽車防抱死系統(tǒng)安全性問(wèn)題，許多學(xué)者有著自己的見(jiàn)解。曾凡欽等[2]基于整車模型的汽車制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)其輸入壓力的改變測(cè)算其滑移率的大小，從而評(píng)估整車安全性，但并未拆分出關(guān)鍵部件進(jìn)行研究分析；田敏等[3]基于MATLAB 對(duì)汽車ABS 系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)輸入端數(shù)值的改變，測(cè)算其制動(dòng)效果，但并未對(duì)建立系統(tǒng)實(shí)體模型進(jìn)行求解分析；樊明等[4]基于ABAQUS/CAE 平臺(tái)對(duì)汽車儀表板手套箱進(jìn)行熱固耦合應(yīng)力分析，僅有單一的輸入端壓強(qiáng)輸入，沒(méi)有產(chǎn)生變量形成對(duì)比。本文以汽車防抱死系統(tǒng)的關(guān)鍵組件——球閥為研究對(duì)象，精確研究流體流量對(duì)其穩(wěn)定性的影響。球閥就是利用球體的移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)的方法來(lái)使開(kāi)關(guān)閉合或打開(kāi)，從而達(dá)到控制流體流量的彈簧閥。球閥運(yùn)用油壓與彈簧間的受力關(guān)系，當(dāng)油壓較大時(shí)，彈簧會(huì)被壓短，液體內(nèi)部過(guò)載的油壓會(huì)得到釋放，隨著壓力的減小，彈簧逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)，此時(shí)球閥便會(huì)自動(dòng)閉合。所以將模型分為結(jié)構(gòu)部分與流體部分，分別定義材料、邊界條件、流固耦合接觸、網(wǎng)格控制，最后基于不同輸入端壓強(qiáng)創(chuàng)建多組協(xié)同分析，查看求解對(duì)比分析結(jié)果。

1 模型處理

針對(duì)球閥模型，在此模型中，流體場(chǎng)為二維模型，但ABAQUS/CAE 只支持三維求解，因此首先要對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理，在三維模型建立對(duì)應(yīng)的對(duì)稱面，從而對(duì)二維模型進(jìn)行模擬。本文將二維模型分為結(jié)構(gòu)部分和流體部分，分別進(jìn)行求解分析。

結(jié)構(gòu)部分，將單元模型設(shè)置為C3D8R，邊界條件選擇平面應(yīng)變，結(jié)果模型如圖1 所示。

圖1 實(shí)體模型Fig.1 Entity model

流體部分，模型使用六面體流體單元FC3D8，流體為具有一定稠度的油，因此模型被設(shè)置為不可壓縮的牛頓流體[5]。油的密度為980 kg/m3，黏度為0.5 Pa·s，初始狀態(tài)被認(rèn)為靜止，即初始的速度設(shè)置為0。根據(jù)流體輸入端的壓力條件，流體的流動(dòng)狀態(tài)設(shè)為湍流。流體模型如圖2。根據(jù)設(shè)置，在流體的輸入端，施加一個(gè)周期為0.01 的正弦壓力曲線，輸出端為正常大氣壓強(qiáng)。

圖2 流體模型Fig.2 Fluid model

其中，球閥移動(dòng)或者變形時(shí)，流體網(wǎng)格也會(huì)隨之移動(dòng)和變形，所以流體模型網(wǎng)格調(diào)用拉格朗日-歐拉算法[6]：

其次，為了控制網(wǎng)格在變形過(guò)程中的大小，使其不會(huì)因?yàn)閲?yán)重畸變影響求解結(jié)果，需對(duì)其變形剛度與收斂條件進(jìn)行約束，控制其密度在2.1E-10。

2 建立流固耦合分析

2.1 定義流體截面

將質(zhì)量密度為980 kg/m3、動(dòng)力粘度為0.5 Pa·s的材料屬性賦予流體模型整體。

2.2 定義流體邊界條件

針對(duì)流體模型球閥在實(shí)際工作中的工作方式以及工作習(xí)慣，本文需分別對(duì)球閥上表面、下表面、前端面、后端面、周邊面以及周邊網(wǎng)格進(jìn)行不同定義，具體定義如表1 所示。

表1 流體邊界條件Tab.1 Fluid boundary conditions

2.3 定義初始流場(chǎng)

基于流體模型定義流場(chǎng)。設(shè)置流場(chǎng)分析步為Initial，類型選擇Fluid，種類選擇Fluid turbulence，單擊OK 完成設(shè)置。

2.4 定義流固耦合接觸

基于流固耦合力學(xué)[7]的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，所以在定義了模型材料與邊界條件之后，需對(duì)模型的相互接觸進(jìn)行定義。針對(duì)流體模型和結(jié)構(gòu)模型的BALL 區(qū)域創(chuàng)建流固耦合接觸。對(duì)于流體模型以S-A 湍流模型為分析步，BALL 區(qū)域邊界為流固耦合邊界創(chuàng)建接觸；對(duì)于結(jié)構(gòu)模型以動(dòng)力/隱式為分析步，BALL 區(qū)域邊界為流固耦合邊界創(chuàng)建接觸。流體模型接觸如圖3 所示，結(jié)構(gòu)模型接觸如圖4 所示，圖中的中心圓形區(qū)域?yàn)锽ALL區(qū)域。接觸設(shè)置如表2 所示。

表2 流固耦合接觸Tab.2 Fluid-solid coupling contact

圖3 流體模型接觸Fig.3 Fluid model contact

圖4 結(jié)構(gòu)模型接觸Fig.4 Structural model contact

2.5 定義協(xié)同分析

在完成了各項(xiàng)定義之后，結(jié)合實(shí)際工況，針對(duì)流體模型和結(jié)構(gòu)模型展開(kāi)分析。在模型樹(shù)中創(chuàng)建協(xié)同分析，選擇流體模型為第1 個(gè)模型，選擇結(jié)構(gòu)模型為第2 個(gè)模型，分別進(jìn)行流體分析和標(biāo)準(zhǔn)分析，設(shè)置完成，提交協(xié)同分析并實(shí)時(shí)查看求解進(jìn)程。

3 流固耦合結(jié)果分析

首先查看結(jié)構(gòu)模型求解結(jié)果，在結(jié)構(gòu)模型可視化界面查看球閥的應(yīng)力分布，如圖5 所示。單擊繪圖工具，選擇歷史輸出文件，繼續(xù)選擇Y 方向的位移輸出2，如圖6 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力分布Fig.5 Structural model stress distribution

圖6 結(jié)構(gòu)模型位移曲線Fig.6 Structural model displacement curve

查看流體模型流體計(jì)算結(jié)果，將工具欄中輸出變量設(shè)置為V，查看流場(chǎng)速度分布，如圖7 所示。將工具欄中輸出變量設(shè)置為PRESSURE[8]，查看流場(chǎng)壓力分布，如圖8 所示。

圖7 流場(chǎng)速度分布Fig.7 Flow field velocity distribution

圖8 流場(chǎng)壓力分布Fig.8 Flow field pressure distribution

將應(yīng)用命令類型更改為線（Line），查看流場(chǎng)速度與壓力分布線圖，如圖9 和圖10 所示。

圖9 速度等值線分布Fig.9 Velocity contour distribution

圖10 壓強(qiáng)等值線分布Fig.10 Pressure contour distribution

通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體的輸入端壓強(qiáng)增大時(shí)，球閥向打開(kāi)方向運(yùn)動(dòng)，流體也隨之向輸入端移動(dòng)，最后球閥會(huì)呈現(xiàn)完全打開(kāi)的狀態(tài)，此時(shí)壓力達(dá)到峰值1.028e4 MPa。在球閥閉合階段，位移曲線會(huì)有略微不同，因?yàn)樵诙x過(guò)程中應(yīng)將流體定義為不可壓縮并且具有一定張力。

4 修改壓強(qiáng)再次求解

將流體出入端的壓強(qiáng)增大，以10 倍為一個(gè)量級(jí)，將輸入端壓強(qiáng)由1e4 Pa 改為1e5 Pa，觀察速度等值線圖與壓強(qiáng)等值線圖，如圖11 和圖12 所示。輸入端的壓強(qiáng)增大，球閥壓力變化更加明顯，峰值壓力增加了3 倍，達(dá)到3.579e4 MPa。壓力變化如表3 所示。如果對(duì)輸入端壓力再次增大，則需要設(shè)置Rayleight 質(zhì)量阻尼系數(shù)，可將α_R 設(shè)置為1 000，保證求解過(guò)程的穩(wěn)定性，可設(shè)置多線程求解計(jì)算，保證求解時(shí)間的合理性。綜合不同輸入端的壓力變化，并結(jié)合實(shí)際工況可以對(duì)球閥參數(shù)或者材料進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)不同的輸入端壓力，為實(shí)際汽車防抱死系統(tǒng)球閥部件的設(shè)計(jì)提供參考指導(dǎo)。

圖11 速度等值線分布Fig.11 Velocity contour distribution

圖12 壓強(qiáng)等值線分布Fig.12 Pressure contour distribution

表3 壓力變化Tab.3 Pressure changes

（續(xù)表）

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)汽車的防抱死系統(tǒng)（ABS）的關(guān)鍵組件——球閥進(jìn)行流固耦合分析，詳細(xì)介紹了流體模型和固體模型的前處理設(shè)置、流固耦合接觸面的定義、協(xié)同仿真和后處理等，通過(guò)調(diào)整輸入端的壓強(qiáng)變化，分析求解結(jié)果中流場(chǎng)速度分布和流場(chǎng)壓力分布的對(duì)比分析，可精確地對(duì)流體流量進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文可為發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理、電子散熱、水泵旋轉(zhuǎn)等流固耦合問(wèn)題提供參考。