CN112149221A - 考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法及系统，涉及汽车领域，该方法包括将上一时刻点的节点位移映射到建立的流体模型中，并以上一时刻点的节点位移作为输入边界，对流体模型进行当前时刻点的流体计算，得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力；将当前时刻点的总压力和液体附加质量映射到建立的结构有限元模型上；对结构有限元模型进行瞬态响应分析，得到当前时刻点结构有限元模型的网格节点的节点位移、加速度和应力；基于所有时刻点的网格节点的应力，进行疲劳计算。本发明能够准确模拟油箱由于液体晃动导致的结构疲劳。

Description

考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车领域，具体涉及一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法及系统。
背景技术
目前对于油箱流固耦合瞬态分析，主要是通过分别建立油液的流体域和油箱的结构域，采用瞬态分析，进行实时双向耦合分析，结构域分析后传递结构变形给流体域，流体域的分析传递载荷给结构域。
但是，在实际分析过程中，进行实时双向耦合时，流体域传递载荷给结构域，结构瞬态计算中只考虑了流体传递过来的载荷，并未考虑流体晃动产生的附加质量对结构的影响，事实上，液体在晃动过程中会在结构表面产生一个附加质量，该附加质量会改变结构的动态特性，从而导致结构计算的结构变形不够准确，传递给流体域的位移不够准确，最终动态应力和动态响应均与实际不符，无法准确模拟油箱由于液体晃动导致的结构疲劳，最终导致计算的疲劳结果不准确。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法及系统，能够准确模拟油箱由于液体晃动导致的结构疲劳。
为达到以上目的，本发明提供的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，包括以下步骤：
将上一时刻点的节点位移映射到建立的流体模型中，并以上一时刻点的节点位移作为输入边界，对流体模型进行当前时刻点的流体计算，得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力；
将当前时刻点的总压力和液体附加质量映射到建立的结构有限元模型上；
对结构有限元模型进行瞬态响应分析，得到当前时刻点结构有限元模型的网格节点的节点位移、加速度和应力；
基于所有时刻点的网格节点的应力，进行疲劳计算。
在上述技术方案的基础上，所述流体模型为对能够接触到油液的部件所建立的几何模型，所述能够接触到油液的部件包括油箱箱体内表面和油箱隔板，且油箱隔板与油箱箱体搭接边缝合为一体。
在上述技术方案的基础上，所述流体模型建立后，对流体模型采用隐式瞬态分析，进行输入和输出的设置，所述流体模型的输入为节点位移，所述流体模型的输出为液体对油箱壁的动压力和总压力。
在上述技术方案的基础上，所述结构有限元模型为对油箱托架、油箱箍带、油箱软垫、油箱箱体、油箱隔板和油箱截断车架建立的网格模型。
在上述技术方案的基础上，所述结构有限元模型建立后，对结构有限元模型采用隐式瞬态分析，进行输入和输出的设置，所述结构有限元模型的输入为加速度，所述结构有限元模型的输出为节点位移、加速度和应力。
在上述技术方案的基础上，当得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力之后，还包括：将得到的动压力映射为当前时刻点结构有限元模型的网格节点的动压力。
在上述技术方案的基础上，所述当前时刻点的液体附加质量的计算方式为：将当前时刻点结构有限元模型的网格节点的动压力，除以上一时刻点结构有限元模型的网格节点的加速度，得到当前时刻点的液体附加质量。
在上述技术方案的基础上，初始时刻时，节点位移、液体附加质量和液体对油箱壁的动压力均为0。
本发明提供的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析系统，包括：
压力计算模块，其用于将上一时刻点的节点位移映射到建立的流体模型中，并以上一时刻点的节点位移作为输入边界，对流体模型进行当前时刻点的流体计算，得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力；
映射模块，其用于将当前时刻点的总压力和液体附加质量映射到建立的结构有限元模型上；
分析模块，其用于对结构有限元模型进行瞬态响应分析，得到当前时刻点结构有限元模型的网格节点的节点位移、加速度和应力；
疲劳计算模块，其用于基于所有时刻点的网格节点的应力，进行疲劳计算。
在上述技术方案的基础上，
所述流体模型为对能够接触到油液的部件所建立的几何模型，所述能够接触到油液的部件包括油箱箱体内表面和油箱隔板，且油箱隔板与油箱箱体搭接边缝合为一体；
所述结构有限元模型为对油箱托架、油箱箍带、油箱软垫、油箱箱体、油箱隔板和油箱截断车架建立的网格模型。
与现有技术相比，本发明的优点在于：考虑液体的动压力在结构表面产生的附加质量的影响，在进行应力计算时，考虑结构的动态特性，考虑了油箱的液体与固体的实时耦合作用，将液体对结构的力时时传递给结构，结构的受力更真实可靠，响应更准确，更接近实际情况，能够准确模拟油箱由于液体晃动导致的结构疲劳。
附图说明
图1为本发明实施例中一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，考虑液体的动压力在结构表面产生的附加质量的影响，在进行应力计算时，考虑结构的动态特性，考虑了油箱的液体与固体的实时耦合作用，将液体对结构的力时时传递给结构，结构的受力更真实可靠，响应更准确，更接近实际情况，能够准确模拟油箱由于液体晃动导致的结构疲劳。本发明实施例相应地还提供了一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析系统。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
参见图1所示，本发明实施例提供的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，包括以下步骤：
S1：将上一时刻点的节点位移映射到建立的流体模型中，并以上一时刻点的节点位移作为输入边界，对流体模型进行当前时刻点的流体计算，得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力；
S2：将当前时刻点的总压力和液体附加质量映射到建立的结构有限元模型上；
S3：对结构有限元模型进行瞬态响应分析，得到当前时刻点结构有限元模型的网格节点的节点位移、加速度和应力；
S4：基于所有时刻点的网格节点的应力，进行疲劳计算。本发明实施例中，重复执行步骤S1～步骤S3，即可得到所有时刻点的网格节点的应力，然后根据应力结果和SN曲线进行疲劳计算。SN曲线是以材料标准试件疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值为横坐标，用以表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线。
本发明实施例中，流体模型为对能够接触到油液的部件所建立的几何模型，所述能够接触到油液的部件包括油箱箱体内表面和油箱隔板，且油箱隔板与油箱箱体搭接边缝合为一体。流体模型建立后，对流体模型采用隐式瞬态分析，进行输入和输出的设置，流体模型的输入为节点位移，流体模型的输出为液体对油箱壁的动压力和总压力。即对对处理后的流体模型进行网格划分并作为流场计算的计算域，设置VOF(Volume Of Fluid，目标流体的体积与网格体积的比值)多相流瞬态计算，以及与结构网格的映射关系。
本发明实施例中，结构有限元模型为对油箱托架、油箱箍带、油箱软垫、油箱箱体、油箱隔板和油箱截断车架建立的网格模型。结构有限元模型建立后，对结构有限元模型采用隐式瞬态分析，进行输入和输出的设置，结构有限元模型的输入为加速度，结构有限元模型的输出为节点位移、加速度和应力。即设置边界、瞬态分析步骤及输出与流体域耦合面的节点位移、节点加速度和节点应力。
本发明实施例中，当得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力之后，还包括：将得到的动压力映射为当前时刻点结构有限元模型的网格节点的动压力。当前时刻点的液体附加质量的计算方式为：将当前时刻点结构有限元模型的网格节点的动压力，除以上一时刻点结构有限元模型的网格节点的加速度，得到当前时刻点的液体附加质量。
本发明实施例中，初始时刻时，节点位移、液体附加质量和液体对油箱壁的动压力均为0。即进行初始流体计算，计算输出液体对油箱壁的总压力，将总压力映射到结构有限元模型中，此时还没有动压力，附加质量为零。
以下对本发明的油箱流固耦合瞬态分析方法的具体应用步骤进行说明。包括以下步骤：
1、油箱固体网格建立，即建立结构有限元模型，固体域采用隐式瞬态分析，设置好输入和输出，输入为测试的加速度积分得到的位移数据，输出为加速度、位移和应力。
2、油箱的流体部分模型建立，即建立流体模型，建立油箱总容积的3/4液体，采用隐式瞬态分析，设置好输入输出，输入为结构计算油箱表面的位移，输出为油箱表面的总压力和动压力。
3、进行油箱的流体部分初始计算，此时油箱位移为0，输出油箱耦合面的总压力和动压力，此时动压力为0。
4、更新液体对结构的压力，将3中输出的总压力映射到有限元模型的网格中。
5、进行油箱的结构部分第1时刻点计算，此时流体部分动压为0，无附加质量，输出结构耦合面的位移和加速度，同时输出关注点的应力。
6、将5中结构输出的耦合面的位移映射到流体边界中，进行油箱的流体部分计算，输出油箱耦合面的总压力和动压力。
7、更新液体对结构的压力，取消上一步结构计算中流体映射过来的总压力，并将6中的总压力映射到有限元模型的网格中。
8、更新附加质量，通过6中输出的耦合面的动压力转换到结构节点上的压力除以5中输出的加速度可以得到附加质量，更新7中映射好总压力模型的结构节点上的附加质量，进行下一时刻的结构瞬态计算。
9、重复步骤5～8，完成剩余时间的计算，最终得到了结构上关注点随时间变化的应力结果。
10、将应力结果与材料的SN曲线进行疲劳计算。
本发明实施例的油箱流固耦合瞬态分析方法，考虑液体的动压力在结构表面产生的附加质量的影响，在进行应力计算时，考虑结构的动态特性，考虑了油箱的液体与固体的实时耦合作用，将液体对结构的力时时传递给结构，结构的受力更真实可靠，响应更准确，更接近实际情况，能够准确模拟油箱由于液体晃动导致的结构疲劳。
参见图2所示，本发明实施例提供的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析系统，包括压力计算模块、映射模块、分析模块和疲劳计算模块。压力计算模块，其用于将上一时刻点的节点位移映射到建立的流体模型中，并以上一时刻点的节点位移作为输入边界，对流体模型进行当前时刻点的流体计算，得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力。
映射模块用于将当前时刻点的总压力和液体附加质量映射到建立的结构有限元模型上；分析模块用于对结构有限元模型进行瞬态响应分析，得到当前时刻点结构有限元模型的网格节点的节点位移、加速度和应力；疲劳计算模块用于基于所有时刻点的网格节点的应力，进行疲劳计算。
本发明实施例中，流体模型为对能够接触到油液的部件所建立的几何模型，所述能够接触到油液的部件包括油箱箱体内表面和油箱隔板，且油箱隔板与油箱箱体搭接边缝合为一体；结构有限元模型为对油箱托架、油箱箍带、油箱软垫、油箱箱体、油箱隔板和油箱截断车架建立的网格模型。
需要说明的是，在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

Claims (10)

1.一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
将上一时刻点的节点位移映射到建立的流体模型中，并以上一时刻点的节点位移作为输入边界，对流体模型进行当前时刻点的流体计算，得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力；
将当前时刻点的总压力和液体附加质量映射到建立的结构有限元模型上；
对结构有限元模型进行瞬态响应分析，得到当前时刻点结构有限元模型的网格节点的节点位移、加速度和应力；
基于所有时刻点的网格节点的应力，进行疲劳计算。
2.如权利要求1所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于：所述流体模型为对能够接触到油液的部件所建立的几何模型，所述能够接触到油液的部件包括油箱箱体内表面和油箱隔板，且油箱隔板与油箱箱体搭接边缝合为一体。
3.如权利要求2所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于：所述流体模型建立后，对流体模型采用隐式瞬态分析，进行输入和输出的设置，所述流体模型的输入为节点位移，所述流体模型的输出为液体对油箱壁的动压力和总压力。
4.如权利要求1所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于：所述结构有限元模型为对油箱托架、油箱箍带、油箱软垫、油箱箱体、油箱隔板和油箱截断车架建立的网格模型。
5.如权利要求4所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于：所述结构有限元模型建立后，对结构有限元模型采用隐式瞬态分析，进行输入和输出的设置，所述结构有限元模型的输入为加速度，所述结构有限元模型的输出为节点位移、加速度和应力。
6.如权利要求1所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于，当得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力之后，还包括：将得到的动压力映射为当前时刻点结构有限元模型的网格节点的动压力。
7.如权利要求6所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于，所述当前时刻点的液体附加质量的计算方式为：将当前时刻点结构有限元模型的网格节点的动压力，除以上一时刻点结构有限元模型的网格节点的加速度，得到当前时刻点的液体附加质量。
8.如权利要求1所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析方法，其特征在于：初始时刻时，节点位移、液体附加质量和液体对油箱壁的动压力均为0。
9.一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析系统，其特征在于，包括：
压力计算模块，其用于将上一时刻点的节点位移映射到建立的流体模型中，并以上一时刻点的节点位移作为输入边界，对流体模型进行当前时刻点的流体计算，得到当前时刻点液体对油箱壁的动压力和总压力；
映射模块，其用于将当前时刻点的总压力和液体附加质量映射到建立的结构有限元模型上；
分析模块，其用于对结构有限元模型进行瞬态响应分析，得到当前时刻点结构有限元模型的网格节点的节点位移、加速度和应力；
疲劳计算模块，其用于基于所有时刻点的网格节点的应力，进行疲劳计算。
10.如权利要求9所述的一种考虑液体附加质量的油箱流固耦合瞬态分析系统，其特征在于：
所述流体模型为对能够接触到油液的部件所建立的几何模型，所述能够接触到油液的部件包括油箱箱体内表面和油箱隔板，且油箱隔板与油箱箱体搭接边缝合为一体；
所述结构有限元模型为对油箱托架、油箱箍带、油箱软垫、油箱箱体、油箱隔板和油箱截断车架建立的网格模型。
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