基于Abaqus的燃油箱晃动噪音模拟

宋庆华

摘要：为了能够在产品设计阶段，预测出燃油箱的晃动噪音水平，为结构优化提供指导，从而最大程度上确保产品通过噪音实验。文章利用Abaqus软件的CEL功能，实现了流固耦合分析，利用Abaqus软件的声学分析功能，完成了声固耦合分析，从而实现了完整油箱晃动噪音模拟。

关键词：CEL；流固耦合；燃油箱；晃动模拟

中图分类号：TN941 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0058-02

车辆的噪音水平一直以来都是衡量其舒适性的重要指标。近些年来，随着人们对车辆舒适性要求的日益提高以及发动机、传动系等“传统”噪音源的噪音强度的不断降低，之前一些被“隐藏”的噪音源日益引起了人们的关注，燃油箱的晃动噪音就是其中之一。而对于目前日益普及的混合动力车辆，在发动机关闭阶段，燃油箱的晃动噪音则可能就是整车的主要噪音源。

鉴于燃油箱晃动噪音在车辆舒适性中的日益重要的地位，利用目前日益成熟的计算机仿真技术，在燃油箱设计开发早期，预测出由于燃油箱内部液体晃动而产生的外部声压分布，以此为依据，进行结构优化，从而最大程度上确保燃油箱通过开发后期的噪音实验，进而满足顾客对车辆舒适性的要求，就显得非常有实际意义和价值。

1 模拟思路

车辆在行驶过程中，尤其是在加/减速过程中，燃油箱内部的燃油由于惯性作用，将会发生晃动，从而拍打油箱壁面，使其发生振动，向外辐射噪音。该晃动及其辐射噪音的强度受燃油箱的几何形状、装液高度、燃油类型和外部激励等因素影响。基于上述燃油箱晃动噪音发生原理，在保证精度和兼顾效率的原则下，本文提出了如下模拟思路：

2 模拟流程

根据以上模拟思路，整个燃油箱晃动噪音模拟主要包含三部分内容：外部激励作用下燃油箱内部燃油与油箱本体之间相互作用的流固耦合分析、箱体表面振动向外辐射噪音的声固耦合分析以及二者之间的数据传输。

目前流固耦合分析是很多企业面临的急需解决的关键问题之一。之前，工程师尝试过多种方法解决流固耦合问题，但都存在计算速度跟不上、多种软件实现耦合功能前处理复杂等一系列技术问题。Abaqus软件推出的CEL功能，采用Abaqus/Explicit求解器进行计算，并且流体材料属性、流体边界、荷载及流体网格等流体相关前处理都与固体结构前处理一同集成在Abaqus/CAE模块中。因此采用CEL功能进行流固耦合分析，既有较高的计算速度，同时相关耦合的前处理也极为便利。

传统的流体分析中，流体网格都是固定在空间中。如果流固耦合分析中，固体结构发生较大的运动轨迹，那么流体网格必须足够大到包含全部固体结构运动轨迹。最新推出的Abaqus 6.10则可以使用运动流体网格，流体网格只需要包含固体结构即可，无需包含整个运动轨迹，从而可以极大地减少计算成本，进一步提高计算速度。使用CEL技术，模拟持续时间为3秒的流固耦合分析，在16CPUs工作站上，只需要55小时。如此短的计算时间，使用其他软件是不可能得到的。

同时，Abaqus软件也具有强大的声学分析功能，完全可以满足燃油箱晃动噪音模拟中声固耦合分析的需求。整个燃油箱晃动噪音模拟中的流固耦合分析与声固耦合分析都可以集成在Abaqus软件中，则二者之间的数据传输也可以很方便地实现。根据上述论述，本文提出了如下基于Abaqus燃油箱晃动噪音模拟流程：

3 工程实例

3.1 分析模型

本文利用上述模拟流程对图3所示的同一型号油箱的两种不同结构进行了晃动噪音模拟。

3.2 流体区域

初始充液区域采用EOS模型中Us-Up状态方程模拟；其他流体区域为Void；整个流体区域施加重力场，如图4

所示：

固体结构：燃油箱作为柔性体，使用壳单元模拟；燃油箱本体与钢带之间使用Tie连接；燃油箱系统与车身连接区域施加外界加速度荷载，如图5所示：

流固耦合：通过Abaqus/Explicit中设置general contact模拟燃油箱内部燃油与油箱本体之间的相互作用，实现流固耦合分析。

声固耦合：使用声学单元在油箱外部建立声腔模型，在声腔外部使用无限单元模拟无限大声场；荷载为流固耦合分析中得到的油箱本体位移结果，如图6所示：

3.3 模拟结果

4 结语

实现汽车燃油箱晃动噪音模拟的关键，是现实流固耦合分析——燃油箱晃动模拟，进而将其所得到的位移结果，作为输入荷载，进行声固耦合分析，得到燃油箱外部的声压分布。本文利用Abaqus软件的CEL功能，完成了燃油箱晃动模拟，并取得了较好的计算速度，利用Abaqus软件的声学分析功能，完成了后续的声固耦合分析，得到了所需的燃油箱外部声压分布，最终得到了一套基于Abaqus软件的燃油箱晃动噪音模拟流程。

参考文献

[1] 刘亮.汽车塑料油箱发展趋势[J].轻型汽车技术，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.

（责任编辑：秦逊玉）