基于SPH粒子法的汽车高压油箱碰撞CAE计算分析

刘豪 王康 徐莉 关永学 付康

摘 要：文章基于汽车车体结构、高压燃油箱及其周围零部件组成的子模型，采用LS-DYNA显式求解器，利用SPH 粒子技术，针对整车正面碰撞、侧面碰撞以及后面碰撞过程中，高压油箱周围变形以及其内部油液的晃动对油箱壳体的影响进行有限元模拟和研究。通过碰撞CAE计算分析，得出碰撞过程中油液晃动对油箱的撞击而产生的应力分布及变化过程，分析油箱的变形、应力、应变分布等情况，可以评估汽车在发生高速碰撞时油箱损伤、破坏情况。最终通过在某整车高速追尾CAE模拟中的应用，再现了油液SPH 粒子的有效作用。

关键词：CAE计算 高压油箱 汽车碰撞 SPH粒子法

1 引言

随着国家强制标准对于《汽车正面碰撞的乘员保护》、《汽车侧面碰撞的乘员保护》、《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》三项强制性国家标准开始实施，并且CNCAP规程中也对碰撞后燃油系统的完整性提出了要求，更为严苛标准的执行表现出国家对汽车行驶安全的重视。乘用车碰撞燃油系统安全的衡量标准主要是依据在国标工况和CNCAP工况中的汽车碰撞试验，主要检验汽车发生碰撞时燃油箱的安全性能。主要针对汽车碰撞过程中和碰撞后燃油泄漏情况、燃油箱壳体完整情况、等检测项目进行检验[1]。

为了考察传统汽车燃油箱/混合动力汽车高压油箱在碰撞时可能有起火或爆炸的风险，以及汽车行驶过程中油箱内油液长时间晃动会使油箱结构连接件松动，结构局部磨损或产生裂纹而造成燃油泄漏。本文基于汽车车体结构、高压燃油箱及其周围零部件组成的子模型，采用LS-DYNA显式求解器，利用SPH 粒子技术[2][3]，针对整车正面碰撞、侧面碰撞以及后面碰撞过程中，高压油箱周围变形以及油箱内部油液的晃动对油箱壳体的影响进行有限元模拟和失效分析研究。通过碰撞仿真分析计算，进而得出碰撞过程中油液晃动对油箱的撞击而产生的应力分布的变化过程，分析高压油箱的变形、应力、应变分布等情况，可以考察整车在撞击时油箱发生的破坏情况[4]。最终通过在整车高速碰撞CAE模型中应用，再现了油液SPH 粒子的有效作用。

2 SPH粒子法技术

2.1 SPH粒子特点

SPH 的全称是光滑粒子流体动力学——Smoothing Particle Hydrodynamics. 它是在流体力学计算领域相对新型的方法，它的理论基础来源于粒子方法，粒子方法是把连续的物理量用多数粒子的集合来插值的数值解析方法。比如，将连续体的运动用有限数量的粒子运动来离散化，它与有限体积法和有限元法不同，具有完全Lagrange方法并不用网格的特点。粒子法由于没有网格，因此不会发生界面变形大所引起的计算溢出的问题，而且，对流体的分离和合体这样的拓扑学的复杂变化也不需要特殊的计算手段。采用这种SPH 粒子的优点不仅是很容易地用于大变形的界面，而且没有必要进行烦杂的网格生成等工作，适用于复杂自由的液面流体[5]。如图1所示。

2.2 CAE仿真中不同燃油表达方式

传统的燃油箱中油液的模拟方法是使用等效配重的表达方式，该方式难以精确模拟在碰撞过程中燃油液体在油箱内部的窜动对油箱壳体的冲击以及所导致的整个油箱的晃动量。在整车碰撞CAE 仿真分析中，一般情况下，我们都会采用在燃油箱所有单元或节点上增加等效配重的方式来实现。这种加载方式，很难模拟出在碰撞过程中燃油箱内部油液的晃动产生的影响。

对于SPH粒子，在整车碰撞中的应用还很少。虽然SPH 粒子的理论知识比较复杂，但采用LS-DYNA求解器，用有限元专业语言的表法方法却是非常简单。每个SPH粒子都是属于一种SPHCEL类型的一维单元，由单元的节点号组成。SPH 粒子的属性类型为专属的SPH类型，其中包括Mp（粒子的质量），Qa和Qb（非线性、线性体积粘度系数），h（光顺距离）等主要的关键参数。SPH 粒子的材料类型为MAT009_NULL，其中包括密度、粘性系数等，为一种流体力学中使用的粘性流体材料。使用SPH例子法模拟油液，可以准确模拟碰撞过程中燃油箱中液体对油箱壳体的冲击以及油箱壳体整体的变形情况，从而在设计前期对油箱的边界布置以及周边锋利特征的设计提出建议，可以避免在实车试验时出现风险导致油箱重新开模或者修模的风险[6]。

3 汽车碰撞CAE燃油SPH设置

3.1 前处理软件中的SPH设置方法

GB11551《汽车正面碰撞的乘员保护》、GB20071《汽车侧面碰撞的乘员保护》、GB20072《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》以及CNCAP各项碰撞试验的技术要求中，均要求在燃油箱中注入90%燃油箱满容量时燃油（或等质量的水），本文仿真模型中加入了等同油箱容量90%的SPH 粒子，用于评估碰撞时的燃油箱的变形情况。

在CAE计算前处理软件Hypermesh中建立SPH单元：需要注意的是油箱壳体必须是封闭的腔体结构，如“进油/回油”管路与油箱连接，若从CAD组拿到的数据为非封闭结构，有效的解决办法是暂时将油箱“进油/回油”口进行封堵，SPH液体添加完成后，再将油箱壳体封堵的单元删除。

SPH单元建立步骤：在Hypermesh中的“1D”--“SPH”功能中进行建立，如图2所示：

步骤1、选择构成油箱闭合壳体的所有Comp；

步骤2、选择相邻两个SPH粒子的间距（建议略大于壳体的网格大小）；

步骤3、燃油质量（一般为油箱满油的90%）；

步骤4、填充SPH粒子占油箱总容积的百分比（一般为油箱满油的90%）；

步骤5、重力加速度方向；

步骤6、创建SPH粒子，并创建与燃油系统的接触。

3.2 计算后处理软件中SPH提取方法

将使用了SPH粒子模拟燃油的油箱装载在整车碰撞CAE模型中进行求解计算，CAE计算结果可以准确还原模拟碰撞过程中燃油液体在燃油箱中的窜动，并将燃油液体内部之间以及燃油液体对燃油箱壳体内壁冲击受力情况再现出来。

可以通过Hyperview中的“SPH Data”--“Pressure in particle”功能中进行查看碰撞过程中SPH油液粒子之间的相互挤压力，并可以通过云图的方式显示出来，以直观的观察到油液自身的压力在油箱内部空间的分布趋势，详见图3所示。

如图3所示，在油箱内部较为狭小空间区域的油液的内部压力相对较大，在油箱内部较为宽松空间区域的油液内部压力相对较小，即油箱内部空间宽松区域的壳体内壁收到的油液挤压力也就越小。

4 汽车碰撞CAE燃油SPH分析

4.1 正面碰撞燃油SPH分析

在正面碰撞工况中，车辆前端因发生碰撞而发生变形，同时车体产生较大的碰撞减速度，油箱及油箱内的燃油液体在惯性力的作用下向前窜动，油箱壳体在箍带的约束下与车体的相对位置发生错动，油箱内部的燃油同时在内部发生液体窜动，对油箱壳体内部产生冲击，导致油箱壳体各个位置的受力不同。

在正面碰撞发生初期，车辆前端未发生严重变形，整车的碰撞加速度较低，燃油箱内部的燃油液体的液面基本处于水平状态；在车辆前端逐步变形加剧 并产生较大的碰撞加速度的同时，燃油箱内部的液体在巨大的惯性力作用下涌动到燃油箱的前端，液体对燃油箱内壁前端产生压力，加剧了油箱向前的窜动量，并导致油箱壳体前端由内向外发生形面塑性变形；在碰撞后期，液体燃油持续在油箱壳体内往复震荡冲击，燃油对油箱壳体内壁的压力随着碰撞过程的推移时刻发生着改变。

使用SPH粒子法在仿真分析中模拟液体燃油，可以准确还原模拟实际碰撞过程中燃油在油箱内部的窜动以及对油箱壳体内壁产生的压力，并能够准确模拟油箱整体在碰撞过程中相对于车身的错动，通过下图4所示的CAE分析结果的剖面图，可以查看到不同时间下液体燃油SPH粒子在燃油箱内部的分布情况。

4.2 侧面碰撞燃油SPH分析

侧面碰撞工况中，因为碰撞方向不同于正面碰撞，液体燃油同样会在惯性力的作用下在燃油箱内部发生左右方向的窜动，并带动燃油箱壳体与车身同时产生相对错位，使用SPH粒子法可以在侧面碰撞仿真分析中精确模拟碰撞过程中燃油液体的窜动趋势，并在仿真计算结果中反应出在燃油内部冲击作用下的油箱壳体受力情况，如图4所示。

4.3 高速追尾燃油SPH分析

高速追尾碰撞过程中，车辆后端因发生追尾而发生变形，在车辆后部结构变形过程中，燃油箱中的燃油在惯性力的作用下发生前后向的窜动，并对油箱壳体产生内部冲击力，通过SPH粒子法同样可以在仿真模型中对该工况进行还原。

5 汽车高速碰撞实物验证

在数字设计阶段，使用SPH粒子法精确模拟碰撞过程燃油系统的受力情况，并对潜在风险进行改进；在样车实车试制阶段，为了验证燃油系统碰撞安全性的实车性能，需要在试验阶段进行正面、侧面、后面的碰撞试验，本文基于某款混合动力SUV车型，在实车试制阶段，在高于国标以及CNAP标准的碰撞速度下进行碰撞试验，如下图10所示，该车型的实车碰撞速度按照56kph进行试验，而GB以及CNCAP的要求为50kph，在更为严苛的实车碰撞工况中考察碰撞后的燃油系统完整性。在碰撞试验完成后，通过将整车旋转360度（图5），确认燃油系统的未发生泄漏，满足燃油系统完整性、安全性的开发目标。

6 总结

本文基于某混合动力SUV车型进行高速碰撞CAE仿真分析，使用SPH粒子法模拟燃油液体，替代传统的油箱壳体等效配重方法，可以精确模拟碰撞过程中燃油液体对油箱壳体的冲击以及所导致的油箱整体的窜动量，准确还原碰撞过程中油箱的变形量，避免在碰撞试验中燃油系统出现问题导致重复试验和重新开模的风险。在产品设计阶段，使用SPH粒子法的高压油箱碰撞CAE计算，大大提高燃油系统安全性设计效率，节约开发成本。基于SPH方法分析设计后的高压燃油系统，经整车高速碰撞实物验证后，在360度翻转台上进行了高压燃油系统的完整性考察，实验结果表明，采用SPH粒子法准确还原碰撞过程中油箱的动态响应、预判潜在失效风险进行方案优化设计，可以很好地保障燃油系统的可靠性与完整性。

基金项目：江西省重点研发计划项目“复杂场景下新能源汽车碰撞数字孪生关键技术”（20232BBE50008）研究成果。

参考文献：

[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]贝新源，岳忠五． 三维SPH 程序及其在斜高速碰撞问题的应用[J].计算物理，1977，14（2）：155-166.

[4]朱代义，谷正气，梁小波，等.基于流固耦合燃油箱动态特性分析[C].现代制造工程，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]卓鹏，刘国平，郭凤骏，等. 基于SPH方法的燃油箱碰撞工况优化设计[J].上海汽车，2018（5）：15-18.