在某些情况下，传统的建模方法和简化会导致模型无法准确地表示一个结构。比如与流体接触的结构，该结构的动态响应由于流体的存在而显著改变，例如燃料箱。本文我们将比较用于分析燃料箱的传统建模方法和多物理场建模方法，并比较哪种建模方法可以提供更准确的结果…
燃油箱振动建模的最佳方法
当车辆启动时，发动机、悬架和变速箱等不同的组件会产生振动，并通过车辆结构传播。这些振动会在结构部件中产生显著的应力，并在大量循环后导致疲劳失效。为了准确预测燃料箱的动态特征，考虑流体对结构的影响至关重要。
COMSOL 案例库中的油箱振动教程模型演示了部分充满流体的燃料箱的建模和分析。在这个示例中，使用了两种不同的建模方法表示和分析储罐中的流体：
- 一种传统的方法，其中流体分散于罐的润湿表面
- 一种专门模拟流体中声压的多物理场方法
传统方法使用的是结构力学模块，而多物理方法使用结构力学模块和声学模块;两者都是COMSOLMultiphysics® 软件的附加产品。
传统方法是一种简化的方法，它忽略了流体的动态特性，仅考虑其质量。而多物理场方法考虑了储罐中流体的全部质量以及流体中的压力波。该分析侧重于通过车辆结构传递的小振幅振动，并转化为流体压力的小扰动。在两相流流固耦合模型中讨论了由车辆加速引起的油箱中流体的大幅度和低频运动，也称为晃动。多物理场仿真使您可以可视化并确定部分填充的燃油箱的动态特性，例如应力、频率、阻尼系数和振型的差异。
传统建模方法中使用附加质量代表流体（左）和在多物理场方法中使用的声域网格（右）。
模拟的燃油箱由 1.6mm 的铝制壁制成，体积约为 32.6L，其中 19.6L 充满了液体。它用一块泡沫块和 3 条由 2mm 钢板制成的带子固定在周围的结构上。泡沫块有助于最大程度地减少车辆中燃油箱的移动，从而防止发出吱吱嘎嘎的声音，以及防止表面磨损。
部分充满液体的油箱的几何结构。
该模型假定油箱中的流体为柴油，并且油箱在与周围结构相连的区域内承受垂直加速度。
3 条钢带（左）和使用泡沫的部分（右）用蓝色突出显示。
两种建模方法的结果如何比较？
仿真结果
在传统模型和多物理场模型（如下所示）中，都会在燃料箱带的一个点上分析频率响应函数或 FRF。FRF 可用于获得燃油箱对与频率相关的载荷或其他载荷（如通过功率谱密度（PSD）函数指定的载荷）的应力响应。机械系统的频率响应在上一篇博客文章（机械系统的频率响应分析）中进行了深入讨论。
燃油箱带上的测量点用蓝色显示。
通过分析两个模型中的 FRF，可以看出这两种方法具有明显不同的模态。模态分析进一步证实了这一点，它显示了前十种模式的频率、形状和阻尼的差异。
使用两种不同的建模方法测量皮带上的点位置（左）和应力 FRF （右）。
在下面的结果中，您可以看到两种建模方法在两个不同频率下的应力比较。具有附加质量的结构代表传统方法，具有声学的结构代表多物理场方法。
在 88.9Hz 的频率下，使用传统方法模拟的燃油箱中没有应力，但是使用多物理场方法模拟的燃油箱中有很大的应力。然而，在 128.5Hz 的频率下，传统模型中存在应力，而多物理场模型中没有应力。
在 88.9Hz （左）和 128.5Hz （右）下两种建模方法的应力比较。
在进行仿真和分析时，两种方法显示出很大的差异，这表明在预测充满流体的空腔（例如燃料箱）上的应力或疲劳寿命时，准确捕获声学振动行为的重要性。
自己尝试
单击下面的按钮，查看“燃油箱振动”教程模型。
评论 (0)