基于声学算法的油底壳流固耦合模态计算问题仿真研究.docxVIP

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基于声学算法的油底壳流固耦合模态计算问题仿真研究

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孙长周杨良波

摘要：油底壳、油箱、膨胀水箱等在塑料应用开发中，为了准确计算其模态，需要考虑液体与结构的耦合作用。文章以圆柱形储液容器为研究对象，采用声学单元、薄膜单元对流体进行建模，考虑了液体可压缩性和自由液面的晃动效应，计算得到容器的一阶模态，与模态试验结果、液体单元法和虚拟质量法的耦合模态计算结果对比显示，文章所采用的建模方法在计算流固耦合模态时具有更高的准确性。然后，采用该建模方法探究了液体高度对该圆柱形储液容器前三阶模态的影响。最后，采用该建模方法计算了某款塑料油底壳在含油状态下的一阶模态，并与油底壳单独模态和虚拟质量法的计算结果作对比，说明了考虑液体作用及液面晃动效应对油底壳模态计算的重要性。

Key：塑料应用;储液容器;流固耦合模态;晃动效应;塑料油底壳

Abstract：Inordertopreciselycalculatethemodalofoilpan，fueltankandexpansiontankinthedevelopmentofplasticapplication，thefluid-structureinteraction（FSI）isnecessarytobeconsidered.Thestudymodelbasedonacousticelementandmembraneelementconsidercompressibilityandsloshingeffectofliquid.Itisprovedthatthemodelingmethodhasahigheraccuracybycomparingtheresultofcalculationoffirst-ordermodewithmodaltest，fluidelementmethodandvirtualmassmethod.Then，theeffectoffluidheighttofirstthreemodeisstudied.Finally，themodelingmethodisusedforcalculatingthefirst-ordermodeofaplasticoilpan.Theresultsshowthatitisnecessarytoconsiderliquideffectandsloshinginthemodalcalculationofliquidstoragecontainerbycomparingwiththecalculationresultsofsinglestructuremodalandvirtualmassmethod.

前言

随着汽车轻量化进程的加速，越来越多的汽车零部件都开始实现以塑代钢，通过降低汽车重量，从而提高汽车的动力性、减少燃料消耗和降低排气污染。油底壳、油箱和膨胀水箱等作为汽车上重要的储液容器，由于其体积、质量较大，如果能实现塑料化，将会有效降低汽车整车重量及制造成本，并且提高汽车NVH性能等。固有模态作为汽车车身及零部件固有属性之一，对整车的NVH性能有着至关重要的影响，因而，汽车零部件开发过程中，其模态的研究具有十分重要的意义。然而，此类汽车上的储液容器由于工作过程中存在和液体的相互作用，其模态势必会受到与之相接触的液体的影响。研究储液容器与其内部液体相互作用下的流固耦合模态，才能准确把握其动态特性，正确地指导此类汽车零部件塑料化的开发。

目前，国内外学者在此类储液容器流固耦合问题的研究上已有一定成果。Ozdemir[1]等采用非线性流固耦合方法研究了液体作用对锚定和非锚定油箱抗震性能的影响。郑建华等[2]采用液体单元法进行立式圆柱形储液罐的三维液固耦合模态分析，研究了液体低频与高频状态下的晃动特性。张韶光[3]等使用NASTRAN中的虚拟质量法和液体单元法计算比较了不考虑自由液面影响的圆柱壳的振动。李青[4]等分别采用液体单元法和虚拟质量法建立圆柱形储液容器液固耦合模型，通过与试验结果对比，验证了这两种仿真方法的有效性。贾善坡[5]等在采用声学单元描述流体，对底部固定的矩形刚性储液容器内液体表面晃动模态进行研究，验证了采用声学单元模拟自由液面晃动状态的准确性。

1仿真方法介绍

1.1液体单元法

假设液体为无黏（忽略阻尼粘滞作用）、可压缩和小幅度运动的，固体则考虑为线弹性材料。采用Galerkin法建立位移一压力格式的液固耦合有限元方程