车辆涉水过程中的流固耦合分析及优化（二）

汽车涉水可能造成零部件进水、底护板变形撕裂、进气管进水等问题，如何利用仿真手段进行开发一直是工程师面临的难题。Khapane, P.等[1]在水池中进行了简化模型试验，并通过自制的测力设备，将实验结果与仿真结果对标，一致性较高。Zheng Xin等[2] 利用STAR-CCM+对汽车进行涉水分析并提出了改进方案，计算结果表明，加装发动机底部防护板可以将减少水流冲击对底护板的压力。之后，Zheng Xin等[3]采用VOF模型和SST湍流模型进行RANS仿真，在车辆涉水仿真中加入了车轮转动效应。总体上看，目前涉水仿真中习惯将车体作为移动刚体，但实际行驶时，由于水的冲击力和浮力，车体运动不会是简单的匀速移动。如何加入流固耦合和多体动力学考量，是今后需要解决的重要问题。

1. 流固耦合介绍

在真实环境中行驶的汽车与其周围的空气或水（涉水工况）产生相互作用，在流体作用力的作用下，车身部件产生振动、变形甚至损坏脱落的情形，这类问题往往是涉及流体动力学、固体力学和多体动力学等学科的交叉学科问题，把这类涉及固体的刚体位移或柔性变形以及由此产生的与周围流体的相互力学作用现象和规律的问题归纳为流固耦合问题。汽车工程中，部件的刚体运动或柔性变形和整车的刚体运动产生与周围流体的相互作用，从而产生部件级的强度、疲劳耐久和振动等问题，对整车的动力性、经济性、舒适性及行驶稳定性等产生影响。这类问题主要分为流体与固体刚体位移耦合、流体与固体柔性变形耦合和流体与固体刚柔特性耦合三类问题。仿真分析是解决这类问题的重要手段，解决流固耦合问题的仿真分析主要分为直接耦合和间接耦合两种计算方法，直接耦合计算中将流体动力学、固体力学和多体动力学等学科采用统一的数学方程进行描述和建模，在工程上直接耦合计算使用的比较少，间接耦合计算主要是通过数据传递完成不同学科方程之间的耦合求解。仿真分析中主要处理固体位移和变形与其表面所受流体压力载荷之间的关系，完成流体与固体计算模型之间的数据传递；试验中通常测量固体的位移、速度、加速度、振动、变形以及表面压力等。


图1 流固耦合仿真策略

2. 车辆涉水底护板脱落问题简介

本文以车辆涉水过程底护板受力变形与脱落过程的建模与仿真为例，介绍流固耦合建模与仿真过程以及需要考虑的相关问题。涉水是车辆在多雨季节和越野工况下通常遇到的行驶工况，水的冲击作用下，车身结构及附件产生变形甚至疲劳损坏的现象，以车辆涉水底护板损坏脱落为例，对此问题进行建模分析需要考虑包括如下问题：车身、车轮及悬架的刚体位移，底护板的柔性变形、悬架的柔性变形、轮胎的柔性变形。

3. 多学科问题建模与仿真过程

该问题的建模过程需要考虑涉水过程的水和空气的两相流建模、车身及车轮的刚体位移、悬架的柔性变形和底护板的柔性变形和损坏的建模，这里采用基于数据传输的间接流固耦合仿真分析方法。

3.1 时间轨迹法

首先介绍通过轨迹法对车身及车轮的刚性位移进行建模，这里采用时间轨迹法，相比于轨迹法，在轨迹曲线中引入时间变量，在仿真计算之前通过试验或预仿真计算的方法获取车身及车轮准确的时间位置曲线（这里考虑将悬架处理成刚性），如下图所示，以时间轨迹法对车身及车轮的运动进行建模，如图2所示，以重叠网格处理车身和车轮的刚体运动，可以近似模拟车辆涉水过程，见图3，图4和图5对比了轨迹法与时间轨迹法仿真过程的仿真过程，可以看出，时间轨迹法可以避免仿真过程中车辆轴距的细微变化误差，仿真更加精确。


图2 时间轨迹法使用重叠网格模拟刚体运动


图3 时间轨迹法模拟的车辆涉水过程


a. 轨迹法


b. 时间轨迹法
图4 轨迹法与时间轨迹法的网格对比


图5 轨迹法与时间轨迹法仿真过程车轮距随时间的变化曲线

3.2 真实悬架建模

当然真实车辆涉水过程中，车辆的悬架是存在弹性变形的，车速也不是绝对匀速的，为了与实际涉水过程更为接近使得仿真更加精确，需要对模型进行动力学建模，包括了完整的悬架及车身多体动力学模型、轮胎与地面接触模型以及车辆驱动模型。

如图6所示，对车身、轮胎、悬架及路面进行动力学建模，模拟车身静态释放，可以看出在重力的作用下，悬架的压缩运动和车身下沉运动，模型中包含了悬架的弹簧和阻尼元件建模。


图6 悬架静态释放

如图7和图8所示，带有悬架模型的涉水模型仿真过程中悬架的运动和涉水过程，可以看到在进入水坑过程中，前后悬架存在压缩和伸长的过程，该模型中车身的运动是通过给定驱动车轮一定的驱动转矩实现的，为了贴近真实涉水过程，车轮驱动转矩曲线需要通过试验或预先仿真计算获得，另外还可以通过设置控制策略，预先定义车辆的行驶速度曲线，通过控制策略自动控制输出驱动转矩，自动调整和控制车速。


图7 涉水过程中悬架的运动


图8 带悬架模型的涉水过程

3.3 实车涉水底护板变形建模与仿真

如图9所示实车底部分布了多块护板，本文选择发动机下护板进行受力和变形分析，图10为实车涉水过程，图11为底护板受到的流体压力作用，基于流体模型的计算可以获得底护板的流体载荷分布，将流体载荷作为结构变形的载荷进行计算可以获得结构的位移和应力分布，图12展示了底护板受到流体冲击作用力后的变形和应力分布，护板的损坏或者脱落风险评估需要综合其变形和应力分布进行分析获得。


图9 实车底护板分布


图10 实车涉水过程仿真


图11 实车涉水过程底护板受力


a. 变形云图


b. 应力云图
图12 实车涉水过程底护板变形与应力分布

4. 总结

基于以上车辆涉水过程底护板变形脱落问题的建模与仿真问题研究，可以看出对于常规的涉及流体与固体的刚柔特性耦合的问题的一般建模与仿真思路，采用基于数据传递的间接耦合方法，需要对物理问题的流体动力学模型、固体力学模型、多体动力学模型等分别进行建模，根据物理问题的复杂程度和计算资源选择同步耦合计算或异步耦合计算。同样，本文的计算也暴露出了针对复杂物理问题的建模与仿真的难点，比如，物理问题越复杂，涉及的学科越多，模型越庞大，所需的计算资源越多，在实车的涉水仿真过程中，计算资源的限制问题凸显出来，基于实际问题的合理假设和简化可以在计算资源和模型精度之间取得平衡。另外，通过搭建系统级仿真分析模型有利于工程力学问题更为精确的建模，利于各学科之间的交流与合作，对于解决类似涉水过程底护板脱落这类复杂的流固耦合问题提供更好的解决方案。


[1] Khapane P , Ganeshwade U , Carvalho K . State of the Art Water Wading Simulation Method to Design Under-Body Components[J]. 2015.
[2] Zheng Xin, Qiao Xin, Kong Fanhua. Vehicle Wading Simulation with STAR-CCM+.
[3] Zheng Xin, Su Donghai. Analysis and Research on Vehicle Wading Performance. Institution of Mechanical Engineers[J]. 2020.