张沙;谷正气;赵敬凯;徐亚;伍文广
本田crz怎么样【摘 要】针对某型大吨位矿用自卸车油气悬架为油气两相相互接触的特点，拟从多相流数值仿真的角度对其非线性刚度阻尼特性进行分析。首先，在探讨了现有多相流建模方法适用性、湍流模型适用性的基础上，结合VOF模型和动网格技术，在Fluent软件中建立悬架的气液两相流模型，并采用UDF方法对两相流模型的边界运动形式进行预定义。其次，模拟了悬架拉伸和压缩状态下的内部瞬态流场特性，得到不同时刻相应流道中的速度和压力云图，提取出气室内压力的变化以及悬架内因阀系结构而产生的压力差的变化，进而计算得到其刚度和阻尼特性曲线。再次，将所求力学特性曲线通过 Spline 函数导入ADAMS/View中，建立了某型矿用自卸车的多体动力学模型，开展了随机道路平顺性仿真分析，并借助实车道路振动测试验证了仿真结果的准确性。最后，通过两相流仿真分析了阻尼孔倒圆大小、开孔角度、不同单向阀开度对悬架阻尼特性的影响。%Considering that the hydro-pneumatic suspension of a large-scale mining dump truck was a type of oil and gas contact suspension,the multiphase flow numerical simulation method was considered to be used to
analysis the nonlinear characteristics.At first,a gas-liquid two-phase flow model was set up in Fluent software by VOF method,on the basis of discussing the applicability of existing multiphase flows modeling methods and the applicability of turbulence model.During the simulation,VOF model was able to track and locate the oil-gas interface and transfer the pressures between them.Dynamic grid technique was introduced and the movement of the two-phase flow model boundary was defined by UDF technique.In order to obtain the velocity and pressure contours of the suspension in different times,the time-dependent numerical simulation of the tension and compression processes of the hydro-pneumatic suspension was conducted,combining the VOF model and dynamic mesh method.The pressure changes in the air chamber and the pressure differences in the oil chamber due to the valve system structure was extracted,and then the stiffness and damping characteristics were calculated.Finally,the two-phase flow simulation results was validated with the help of a vehicle field measurements.
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】mini cooper报价2016(027)015
【总页数】10页(P2091-2099,2106)
【关键词】侧方位停车油气悬架;VOF模型;动网格技术;刚度阻尼特性
【作 者】张沙;谷正气;赵敬凯;徐亚;伍文广
【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082; 湖南文理学院，常德，415000;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082
【正文语种】中 文
【中图分类】TD57
油气悬架是以油液传递压力，惰性气体作为弹性介质，集弹性元件和减振器功能于一体的悬架系统。油气悬架结构紧凑，单位储能比大，有利于减小悬挂质量和减小结构尺寸；同
时，因其具有良好的非线性刚度阻尼特性，相比钢板弹簧、螺旋弹簧等传统悬架，油气悬架能够为整车提供更低的簧上质量固有频率，更好地兼顾车辆对平顺性和操纵稳定性的要求，在部分高级轿车、军事车辆以及工程车辆特别是超大吨位矿用自卸车上被广泛应用[1-3]。自20世纪60年代后期由Karnopp发明油气减振器以来，国内外工程技术人员对其做了大量的研究。研究内容主要包括油气悬架参数辨识[4-6]、悬架精确数学模型的建立和仿真 [7-8]、悬架新结构的开发和主动控制策略[9-11]，以及悬架系统结构对整车系统动力学性能的影响等[12]。针对油气悬架非线性刚度阻尼特性的建模，引起了广大工程技术人员和研究人员的关注。
Bauer[13]对油气悬架做了比较基础而系统的研究工作，详细地分析了油气悬架非线性刚度阻尼特性的形成机理和建模方法。孙继勋等[14]应用AMESim软件中自带的标准储能器、阻尼孔、单向阀和活塞组件，对单气室油气悬架的阻尼特性及其示功图进行了建模及仿真分析，认为液压缸活塞的有效作用面积、单向阀和阻尼孔的有效过流面积是影响悬架阻尼特性的内部结构因素，激励频率和振幅则是影响其阻尼特性的外部因素。Emami等[15]利用功率键合图法，把油气悬架的机械系统、液压系统和控制系统统一到一个系统状态方程，建立了一个主动油气悬架系统的动力学模型。孙会来等[16]则根据油气悬架的多项介质力
学特点，采用等效黏弹性的分析方法，引入分数阶导数积分理论，在油气悬架运动微分方程的基础上建立了油气悬架非线性刚度阻尼特性的Bagley-Torvik方程。Surace等[17]介绍了单筒式油气减振器的参数化和非参数化建模方法，指出非参数化建模方法不需要过多的结构参数作依据，但因其需要大量试验数据作支撑，不利于研究其固有结构参数对自身特性的影响，参数化建模方法正好弥补了这一缺陷。在非参数化建模方面，米承继等[4]利用Daubechies小波和最小二乘法原理辨识了油气悬架的物理参数,得到了有效的刚度和阻尼特性曲线。陈志林等[18]则通过分析油气悬架中气体弹簧的非线性刚度和油缸活塞与缸壁之间的摩擦力，建立了油气悬架的参数化模型。
油气悬架阀系参数及其相关的湍流阻尼力数学模型是影响悬架阻尼特性建模的关键因素[19-20]。传统的阻尼力建模主要使用工程流体力学的半经验公式+试验的方法，阻尼孔和单向阀的流量系数都靠经验确定，不能准确得到，往往只考虑了阀系结构的沿程压力损失产生的阻尼力，对于阀系结构处由截面突变引起的进出口局部阻力、弯道阻力、流体湍流发展过程的沿程阻力未能考虑，而CFD建模方法可以减小上述关键参数对实验数据的依赖程度并提高模型精度[21]。
本文以有限体积法为基础，结合VOF模型和动网格技术，建立了某型大吨位矿用自卸车油气悬架内部流场的两相流模型，并开展数值模拟研究，计算其刚度阻尼特性，然后通过实车道路试验验证仿真结果的准确性，最后分析相关阀系结构参数对阻尼特性的影响。仿真过程中力求通过 VOF模型重构悬架运动过程中的油气接触面，以实现两相间压力的传递；通过多相流流场动态仿真再现油气悬架在不同振动速度下阻尼孔、单向阀等流道内的瞬态流场特性，获得瞬态流场下油气悬架内部的压力分布情况。以期通过仿真分析为油气悬架非线性刚度阻尼特性建模、结构参数设计及优化提供更多的参考依据。
油气弹簧主要有单气室、双气室和两极压力式等结构形式。本文的研究对象为应用于某国产大型矿用自卸车上的单气室油气悬架(单气室油气接触式)，其结构如图1所示。它主要由缸筒1和杆筒4两大部件组成，杆筒上设有供油液流通的阀系结构——阻尼孔2和单向阀3，以此连接活塞腔Ⅰ和环形腔Ⅱ。单向阀在悬架拉伸行程时关闭，在悬架压缩行程时打开。
根据油气悬架结构和工作原理，悬架刚度力和阻尼力可分别表示为[22]
式中，Fk、Fc分别为悬架缸输出的刚度力、阻尼力；p1、p2分别为活塞腔Ⅰ腔、环形腔Ⅱ腔内的压力；A1、A2分别为活塞腔Ⅰ腔、环形腔Ⅱ腔的横截面面积。
2.1 油气悬架三维几何建模
根据油气悬架的结构尺寸，在SolidWorks 软件中建立了三维几何模型，如图2所示。然后，在保证计算精度的情况下，对几何模型进行了适当的简化，忽略了油道、密封件及支撑活塞环，以保证后续网格划分的质量。最终的简化模型如图3所示，具体结构尺寸见表1。
金华达2.2 模型计算域网格划分
采用 ANSYS/ICEM 软件对简化模型进行网格划分，考虑到单向阀和阻尼孔直径相对于整体结构尺寸较小，因此，对其进行了局部网格加密，并改善了网格质量，最终网格数大于120万。模型计算域典型截面网格如图4所示，包括一个阀系横截面网格和两个阀系纵截面网格。在Fluent软件中将两个单向阀分别设置为两个body，网格其余部分设置为第三个body，以便于实现单向阀在拉伸和压缩行程时的开闭状态。
精灵汽车2.3 VOF模型和动网格技术耦合建模
2.3.1 湍流模型选择
就减振器而言，流体流经阻尼孔的状态为湍流，这已被大量的试验工作所验证[23]。因此，在进行油气悬架流体数值仿真前，有必要对湍流模型适用性进行分析，以提高计算精度。目前，计算流体力学中，描述湍流的基础是Navier-Stokes(N-S)方程[24-25]，根据N-S方程中对湍流处理尺度的不同，湍流数值模拟方法主要分为：直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺平均方法(RANS)。DNS方法直接求解湍流运动的N-S方程，可以获得湍流瞬时流场的全部信息，但由于计算量大，目前只限于一些低雷诺数的简单流动。LES 方法在湍流运动的数值模拟过程中，将N-S方程在一个小空间域内进行平均(或称为滤波)，以便从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程，通过建立亚格子尺度模型来模拟小涡对大涡的影响，是介于DNS方法和RANS方法之间的一种方法。RANS方法也就是湍流模式理论，是依据湍流的理论知识、实验数据或直接数值模拟结果，对Reynolds应力做出各种假设从而使湍流的平均Reynolds方程封闭。为兼顾计算精度和效率问题，本文选用目前工程领域应用较为成熟的RANS方法。
根据RANS方法对模式处理的出发点不同，又可以将湍流模式理论分成两大类：一类称为二阶矩封闭模式，另一类称涡黏性模式。二阶矩模式同样因为计算量大的问题而限制了其在工程计算中的应用。涡黏性模式即假设Reynolds应力与平均速度应变率成线性关系，根
据求解的附加微分方程的数目，一般可将涡黏性模式分为三类：零方程、一方程、两方程模型等。目前，两方程模型是工程湍流问题中最广泛应用的模型，主要有：标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型、Realizable k-ε湍流模型和k-ω湍流模型等。本文选用对标准k-ε湍流模型进行了湍流黏性及耗散率修正，可以更好地处理旋流、圆柱射流，有着更高精度的Realizable k-ε湍流模型。与之相关的连续性方程、动量方程、k-ε输运方程[26]分别为
式中，ui、xi分别为速度和坐标分量；ρ为液体密度；μ为分子黏度；p′为修正项压力；μt为湍流黏度；k、ε分别为湍动能和湍能耗散率；σ、C等为相关常数项；G为与平均速度梯度相关的湍动能项。
2.3.2 VOF建模分析
本文分析的油气悬架内部结构为油气接触式，涉及油液和气体两相的相互作用，属于特殊形式的多相流问题。针对多相流问题，已有的解决方法包括：欧拉-拉格朗日方法以及欧拉-欧拉方法。前者采用离散相(DPM)模型，不适合求解流-流混合物以及第二项体积率较大的问题。因此，本文采用欧拉-欧拉计算方法。
基于欧拉-欧拉方法的多相流模型主要有[27]：VOF(volume of fluid)模型、混合(mixture)模型以及欧拉(Eulerian)模型。其中，VOF模型适合于分层的或自由表面流；混合模型或欧拉模型适合于流动中有相混合或分离，或分散相的体积分数超过10%的情况(小于10%可用离散相模型)。由于本文所研究油气悬架内部结构形式为油气接触式，对于这种带自由液面的流动进行数值模拟，其难点在于对自由液面的追踪处理，故本文采用VOF模型来解决这一难题。VOF模型通过引入各个时刻各相流体在网格单元中所占体积分数α来构造和追踪自由面，油气自由界面的重构通过求解以下形式的连续性方程实现[28-29]：
在VOF模型中，每个计算单元内，所有相的体积分数之和等于1。对于油气悬架，记单元中氮气的体积分数为αg，则油液的体积分数为1-αg，其中αg在计算单元中会出现以下三种可能：①αg=0，表示该单元中充满的是液压油；②0<αg<1，表示该单元中既有氮气又有油液；③αg>1，表示该自由面单元中充满的是氮气。
在Realizable k-ε湍流模型中流体的密度和黏度均为常数，但是在VOF模型中单元体的密度和黏度须根据各相体积分数来计算，因此，Realizable k-ε湍流模型和VOF模型通过以下两式来联系：
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