基于SPH粒子法的汽車高壓油箱碰撞CAE計算分析

劉豪 王康 徐莉 關永學 付康

摘 要：文章基于汽車車體結構、高壓燃油箱及其周圍零部件組成的子模型，采用LS-DYNA顯式求解器，利用SPH 粒子技術，針對整車正面碰撞、側面碰撞以及后面碰撞過程中，高壓油箱周圍變形以及其內部油液的晃動對油箱殼體的影響進行有限元模擬和研究。通過碰撞CAE計算分析，得出碰撞過程中油液晃動對油箱的撞擊而產生的應力分布及變化過程，分析油箱的變形、應力、應變分布等情況，可以評估汽車在發生高速碰撞時油箱損傷、破壞情況。最終通過在某整車高速追尾CAE模擬中的應用，再現了油液SPH 粒子的有效作用。

關鍵詞：CAE計算 高壓油箱 汽車碰撞 SPH粒子法

1 引言

隨著國家強制標準對于《汽車正面碰撞的乘員保護》、《汽車側面碰撞的乘員保護》、《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》三項強制性國家標準開始實施，并且CNCAP規程中也對碰撞后燃油系統的完整性提出了要求，更為嚴苛標準的執行表現出國家對汽車行駛安全的重視。乘用車碰撞燃油系統安全的衡量標準主要是依據在國標工況和CNCAP工況中的汽車碰撞試驗，主要檢驗汽車發生碰撞時燃油箱的安全性能。主要針對汽車碰撞過程中和碰撞后燃油泄漏情況、燃油箱殼體完整情況、等檢測項目進行檢驗[1]。

為了考察傳統汽車燃油箱/混合動力汽車高壓油箱在碰撞時可能有起火或爆炸的風險，以及汽車行駛過程中油箱內油液長時間晃動會使油箱結構連接件松動，結構局部磨損或產生裂紋而造成燃油泄漏。本文基于汽車車體結構、高壓燃油箱及其周圍零部件組成的子模型，采用LS-DYNA顯式求解器，利用SPH 粒子技術[2][3]，針對整車正面碰撞、側面碰撞以及后面碰撞過程中，高壓油箱周圍變形以及油箱內部油液的晃動對油箱殼體的影響進行有限元模擬和失效分析研究。通過碰撞仿真分析計算，進而得出碰撞過程中油液晃動對油箱的撞擊而產生的應力分布的變化過程，分析高壓油箱的變形、應力、應變分布等情況，可以考察整車在撞擊時油箱發生的破壞情況[4]。最終通過在整車高速碰撞CAE模型中應用，再現了油液SPH 粒子的有效作用。

2 SPH粒子法技術

2.1 SPH粒子特點

SPH 的全稱是光滑粒子流體動力學——Smoothing Particle Hydrodynamics. 它是在流體力學計算領域相對新型的方法，它的理論基礎來源于粒子方法，粒子方法是把連續的物理量用多數粒子的集合來插值的數值解析方法。比如，將連續體的運動用有限數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Lagrange方法并不用網格的特點。粒子法由于沒有網格，因此不會發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的復雜變化也不需要特殊的計算手段。采用這種SPH 粒子的優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格生成等工作，適用于復雜自由的液面流體[5]。如圖1所示。

2.2 CAE仿真中不同燃油表達方式

傳統的燃油箱中油液的模擬方法是使用等效配重的表達方式，該方式難以精確模擬在碰撞過程中燃油液體在油箱內部的竄動對油箱殼體的沖擊以及所導致的整個油箱的晃動量。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點上增加等效配重的方式來實現。這種加載方式，很難模擬出在碰撞過程中燃油箱內部油液的晃動產生的影響。

對于SPH粒子，在整車碰撞中的應用還很少。雖然SPH 粒子的理論知識比較復雜，但采用LS-DYNA求解器，用有限元專業語言的表法方法卻是非常簡單。每個SPH粒子都是屬于一種SPHCEL類型的一維單元，由單元的節點號組成。SPH 粒子的屬性類型為專屬的SPH類型，其中包括Mp（粒子的質量），Qa和Qb（非線性、線性體積粘度系數），h（光順距離）等主要的關鍵參數。SPH 粒子的材料類型為MAT009_NULL，其中包括密度、粘性系數等，為一種流體力學中使用的粘性流體材料。使用SPH例子法模擬油液，可以準確模擬碰撞過程中燃油箱中液體對油箱殼體的沖擊以及油箱殼體整體的變形情況，從而在設計前期對油箱的邊界布置以及周邊鋒利特征的設計提出建議，可以避免在實車試驗時出現風險導致油箱重新開模或者修模的風險[6]。

3 汽車碰撞CAE燃油SPH設置

3.1 前處理軟件中的SPH設置方法

GB11551《汽車正面碰撞的乘員保護》、GB20071《汽車側面碰撞的乘員保護》、GB20072《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》以及CNCAP各項碰撞試驗的技術要求中，均要求在燃油箱中注入90%燃油箱滿容量時燃油（或等質量的水），本文仿真模型中加入了等同油箱容量90%的SPH 粒子，用于評估碰撞時的燃油箱的變形情況。

在CAE計算前處理軟件Hypermesh中建立SPH單元：需要注意的是油箱殼體必須是封閉的腔體結構，如“進油/回油”管路與油箱連接，若從CAD組拿到的數據為非封閉結構，有效的解決辦法是暫時將油箱“進油/回油”口進行封堵，SPH液體添加完成后，再將油箱殼體封堵的單元刪除。

SPH單元建立步驟：在Hypermesh中的“1D”--“SPH”功能中進行建立，如圖2所示：

步驟1、選擇構成油箱閉合殼體的所有Comp；

步驟2、選擇相鄰兩個SPH粒子的間距（建議略大于殼體的網格大小）；

步驟3、燃油質量（一般為油箱滿油的90%）；

步驟4、填充SPH粒子占油箱總容積的百分比（一般為油箱滿油的90%）；

步驟5、重力加速度方向；

步驟6、創建SPH粒子，并創建與燃油系統的接觸。

3.2 計算后處理軟件中SPH提取方法

將使用了SPH粒子模擬燃油的油箱裝載在整車碰撞CAE模型中進行求解計算，CAE計算結果可以準確還原模擬碰撞過程中燃油液體在燃油箱中的竄動，并將燃油液體內部之間以及燃油液體對燃油箱殼體內壁沖擊受力情況再現出來。

可以通過Hyperview中的“SPH Data”--“Pressure in particle”功能中進行查看碰撞過程中SPH油液粒子之間的相互擠壓力，并可以通過云圖的方式顯示出來，以直觀的觀察到油液自身的壓力在油箱內部空間的分布趨勢，詳見圖3所示。

如圖3所示，在油箱內部較為狹小空間區域的油液的內部壓力相對較大，在油箱內部較為寬松空間區域的油液內部壓力相對較小，即油箱內部空間寬松區域的殼體內壁收到的油液擠壓力也就越小。

4 汽車碰撞CAE燃油SPH分析

4.1 正面碰撞燃油SPH分析

在正面碰撞工況中，車輛前端因發生碰撞而發生變形，同時車體產生較大的碰撞減速度，油箱及油箱內的燃油液體在慣性力的作用下向前竄動，油箱殼體在箍帶的約束下與車體的相對位置發生錯動，油箱內部的燃油同時在內部發生液體竄動，對油箱殼體內部產生沖擊，導致油箱殼體各個位置的受力不同。

在正面碰撞發生初期，車輛前端未發生嚴重變形，整車的碰撞加速度較低，燃油箱內部的燃油液體的液面基本處于水平狀態；在車輛前端逐步變形加劇 并產生較大的碰撞加速度的同時，燃油箱內部的液體在巨大的慣性力作用下涌動到燃油箱的前端，液體對燃油箱內壁前端產生壓力，加劇了油箱向前的竄動量，并導致油箱殼體前端由內向外發生形面塑性變形；在碰撞后期，液體燃油持續在油箱殼體內往復震蕩沖擊，燃油對油箱殼體內壁的壓力隨著碰撞過程的推移時刻發生著改變。

使用SPH粒子法在仿真分析中模擬液體燃油，可以準確還原模擬實際碰撞過程中燃油在油箱內部的竄動以及對油箱殼體內壁產生的壓力，并能夠準確模擬油箱整體在碰撞過程中相對于車身的錯動，通過下圖4所示的CAE分析結果的剖面圖，可以查看到不同時間下液體燃油SPH粒子在燃油箱內部的分布情況。

4.2 側面碰撞燃油SPH分析

側面碰撞工況中，因為碰撞方向不同于正面碰撞，液體燃油同樣會在慣性力的作用下在燃油箱內部發生左右方向的竄動，并帶動燃油箱殼體與車身同時產生相對錯位，使用SPH粒子法可以在側面碰撞仿真分析中精確模擬碰撞過程中燃油液體的竄動趨勢，并在仿真計算結果中反應出在燃油內部沖擊作用下的油箱殼體受力情況，如圖4所示。

4.3 高速追尾燃油SPH分析

高速追尾碰撞過程中，車輛后端因發生追尾而發生變形，在車輛后部結構變形過程中，燃油箱中的燃油在慣性力的作用下發生前后向的竄動，并對油箱殼體產生內部沖擊力，通過SPH粒子法同樣可以在仿真模型中對該工況進行還原。

5 汽車高速碰撞實物驗證

在數字設計階段，使用SPH粒子法精確模擬碰撞過程燃油系統的受力情況，并對潛在風險進行改進；在樣車實車試制階段，為了驗證燃油系統碰撞安全性的實車性能，需要在試驗階段進行正面、側面、后面的碰撞試驗，本文基于某款混合動力SUV車型，在實車試制階段，在高于國標以及CNAP標準的碰撞速度下進行碰撞試驗，如下圖10所示，該車型的實車碰撞速度按照56kph進行試驗，而GB以及CNCAP的要求為50kph，在更為嚴苛的實車碰撞工況中考察碰撞后的燃油系統完整性。在碰撞試驗完成后，通過將整車旋轉360度（圖5），確認燃油系統的未發生泄漏，滿足燃油系統完整性、安全性的開發目標。

6 總結

本文基于某混合動力SUV車型進行高速碰撞CAE仿真分析，使用SPH粒子法模擬燃油液體，替代傳統的油箱殼體等效配重方法，可以精確模擬碰撞過程中燃油液體對油箱殼體的沖擊以及所導致的油箱整體的竄動量，準確還原碰撞過程中油箱的變形量，避免在碰撞試驗中燃油系統出現問題導致重復試驗和重新開模的風險。在產品設計階段，使用SPH粒子法的高壓油箱碰撞CAE計算，大大提高燃油系統安全性設計效率，節約開發成本。基于SPH方法分析設計后的高壓燃油系統，經整車高速碰撞實物驗證后，在360度翻轉臺上進行了高壓燃油系統的完整性考察，實驗結果表明，采用SPH粒子法準確還原碰撞過程中油箱的動態響應、預判潛在失效風險進行方案優化設計，可以很好地保障燃油系統的可靠性與完整性。

基金項目：江西省重點研發計劃項目“復雜場景下新能源汽車碰撞數字孿生關鍵技術”（20232BBE50008）研究成果。

參考文獻：

[1]ECE34， uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the prevention of fire risks [S].

[2]Lucy L B． Numerical approach to testing the fission hypothesis[J]．Astronomical Jourual，1977（82）：1013-1024.

[3]貝新源，岳忠五． 三維SPH 程序及其在斜高速碰撞問題的應用[J].計算物理，1977，14（2）：155-166.

[4]朱代義，谷正氣，梁小波，等.基于流固耦合燃油箱動態特性分析[C].現代制造工程，2009（6）.

[5]Gingold R A，Monaghan J J． Smoothed Particle Hydrodynamics：Theory and Application to Non-spherical stars[C]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，1977（181）：375-389．

[6]卓鵬，劉國平，郭鳳駿，等. 基于SPH方法的燃油箱碰撞工況優化設計[J].上海汽車，2018（5）：15-18.