撰文/杭叉集團股份有限公司 徐征宇 李元松西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院 劉軍

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叉車油箱油液晃動分析研究

撰文/杭叉集團股份有限公司 徐征宇 李元松
西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院 劉軍

為了研究叉車在不同運動工況時油箱油液的晃動狀態(tài)，本文首先對某型叉車油箱進行了幾何模型的簡化，建立油液初始體積并利用ICEM軟件對油液進行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，設(shè)置啟動、剎車、顛簸和轉(zhuǎn)彎四種工況下的邊界條件及求解參數(shù)；計算得到油液在這四種工況下的晃動狀態(tài)。最后，選取燃油運動時渦的矢量質(zhì)量平均和速度的矢量質(zhì)量平均來刻畫油箱里燃油的渦強度。分析結(jié)果表明，渦強大的地方、時刻，速度場也較大，油箱需要進行加固密封。

一、引言

叉車是一種工業(yè)搬運車輛，是指對成件托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業(yè)的各種輪式搬運車輛，被廣泛應(yīng)用于港口、車站、機場、貨場、工廠車間、倉庫、流通中心和配送中心等。在剎車、轉(zhuǎn)彎、啟動以及凹凸不平的路面上顛簸行駛過程中，燃油在油箱里會因為慣性的作用出現(xiàn)晃動的現(xiàn)象，由于燃油的粘性較大，以及行駛過程中加速度的變化幅度較大，會引起整車的重心不穩(wěn)，在現(xiàn)有的試驗手段中，對油箱內(nèi)傳感器受到的沖擊力大小很難測定。油箱在液壓系統(tǒng)中除了儲油外，還起著散熱、分離油液中的氣泡、沉淀雜質(zhì)等作用。所以油箱設(shè)計就要考慮多個因素的影響，比如晃動帶來的油箱中燃油氣泡增加、燃油與油箱壁之間的摩擦引起的靜電效應(yīng)和熱效應(yīng)、燃油由于晃動而產(chǎn)生的噪音，燃油晃動與油箱壁之間的耦合作用引起的油箱結(jié)構(gòu)疲勞等。燃油長此以往沖擊油箱體，產(chǎn)生應(yīng)力作用，不可避免地對固定箱體的支架、緊固件造成影響，數(shù)年之后極可能造成油箱體固定問題，這也是重大安全隱患。所以油箱的設(shè)計在整個叉車燃油系統(tǒng)設(shè)計中處于很重要的位置。

液體的晃動特性是由貯箱的幾何形狀、內(nèi)部構(gòu)件（是否有防晃板、防晃板的形狀、數(shù)量及位置等）、液體充裝高度和外在激勵決定的。研究液體晃動問題的方法可以歸納為解析方法、試驗方法和數(shù)值方法三種。解析方法適用于簡單結(jié)構(gòu)，小幅晃動問題，適用性有限。試驗方法適用性廣，但是成本高。數(shù)值算法計算速度快，耗費人力物力少，得到的信息豐富，是目前晃振研究的主要手段。目前主要的數(shù)值研究方法有：Lagrangian、Eulerian、ALE和SPH法四種。

Lagrangian法將流體簡化為有一定體積的拉格朗日固體，利用接觸算法模擬流體與固體之間的相互作用。物質(zhì)的扭曲將導(dǎo)致計算網(wǎng)格的畸形，導(dǎo)致計算失敗。Eulerian 法采用歐拉單元模擬流體流動。歐拉單元實際上就是一個固定的參考系，在物體的變形過程中保持不變，材料可以在歐拉單元內(nèi)流動。任意拉格朗日-歐拉耦合方法又稱為ALE方法，采用歐拉法描述流體，采用任意拉格朗日-歐拉耦合方法模擬流體與固體結(jié)構(gòu)之間的相互作用。通過歐拉單元內(nèi)部的流體對流場邊界的作用力模擬流體對拉格朗日單元的作用，同時根據(jù)拉格朗日單元的變形情況修正流場邊界的位置和形狀。SPH方法作為一種純拉格朗日性質(zhì)的無網(wǎng)格粒子自適應(yīng)算法，主要用于處理大變形如波浪破碎、翻卷，爆炸、跟蹤運動界面或者自由表面等問題。綜上，為了更好地模擬液面晃動以及油液與油箱之間的耦合作用，任意拉格朗日/歐拉耦合方法開展燃油箱液固耦合分析。該方法采用Lagrange單元模擬油箱結(jié)構(gòu)、Euler單元模擬油箱內(nèi)部燃油，通過Coupling來描述Lagrange結(jié)構(gòu)單元與Euler流體單元之間傳遞的載荷。

二、計算方法

1.數(shù)模簡化及網(wǎng)格劃分

本文涉及的叉車油箱的三維數(shù)模在叉車設(shè)計部門專業(yè)的三維繪圖軟件中完成，然后導(dǎo)出成IGES格式的文件，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件Workbench的幾何模型處理模塊DesignModeler，顯示叉車油箱的三維數(shù)模如圖1所示。模型中共有11個體，較為復(fù)雜。首先，需要進行幾何模型的清理，這里的清理主要分為以下幾個方面：（1）有些體對油箱油液晃動分析的影響不大，但是其參與計算時會使計算網(wǎng)格復(fù)雜化，計算量大大增加，此時可以將其刪除；（2）將小體積的體刪除后，某些大的部件上留有小的孔洞，網(wǎng)格劃分時會在這些小的孔洞周圍產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)格，使計算模型復(fù)雜化，而這些孔洞對計算結(jié)果的影響很小，所以，幾何模型修復(fù)時應(yīng)該將這些小的孔洞進行填充；（3）模型上存在一些倒角，倒角的存在也會使網(wǎng)格復(fù)雜化，此時應(yīng)該對所有的倒角進行修復(fù)，使其修復(fù)成夾角；（4）模型的一些面有碎面和不規(guī)則的地方也需要修復(fù)，這部分工作量相當大。修復(fù)后的幾何模型如圖2所示。

將準備好的幾何模型導(dǎo)入ICEM里面去，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共計劃分361塊，單元格數(shù)為：279077個。劃分完后利用里面的檢查和光滑工具進行光華處理。然后輸出Fluent格式網(wǎng)格文件。劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格示意圖

2.四種工況分析

本文選取油箱油液為研究對象，分析啟動、剎車、顛簸和拐彎四種具有代表性的工況條件下油液晃動狀態(tài)，給郵箱的設(shè)計和密封給出參考性的意見。油箱晃動屬于兩相流的耦合問題，燃油和空氣在外部激勵下進行的晃動也是耦合問題研究的重點。本研究采用的物理模型如下：

采取N-S方程模型：

湍流模型選取k-ε：

兩相流VOF模型：

其中，q和p表示兩相，mpq表示從p相傳遞到q相的質(zhì)量。αq則表示該相的體積分數(shù)。

（1）啟動工況分析。

利用加速度計實測叉車運動時油箱的加速度情況，測量時，將加速度計固定于油箱不同位置，測量四種不同工況下叉車油箱的運動加速度，其中靜止啟動工況下的加速度隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 啟動工況時的加速度變化圖

根據(jù)計算的需要進行簡化，在加速度峰值左右各選取1.25秒，計算時間為2.5秒，將其加速度簡化為線性。當時間小于0.5s時，三個方向的速度都為零，只是將加油和出油管道中充滿液壓油；此后開始定義運動速度，x方向為非主要運動方向，定義一個簡諧的晃動，其基本公式為：

X=R*COS(W*T+A)

V=-W*R*SIN(W*T+A)

a= -W2*R*COS(W*T+A)

取加速度為3.2m/s2，周期為1s，則角頻率為2*pi，計算的最大位移R為0.081m；y方向速度一直為零；z向前進方向為主要運動方向，由于在計算的時候UDF中無法定義加速度，因此按照不同的時間段分別定義一個速度，在0.5～2.5s的范圍內(nèi)分為十個時間段，以z向最大加速度4.3為中點各向兩邊取1.0s，前一秒為加速運動，后一秒為減速運動，從0開始進行速度累積。從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5： u= -0.51*sin(2.0*3.1415926* (t-0.5)) w=0.0；

0.5＜ t ＜=0.7： w =3.31*(time-0.5)；

0.7＜ t ＜=0.9： w =0.662+3.53*(t-0.7)；

0.9＜ t ＜=1.1： w =1.368+3.75*(t-0.9)；

1.1＜ t ＜=1.3： w =2.118+3.97*(t-1.1)；

1.3＜ t ＜=1.5： w =2.912+4.19*(t-1.3)；

1.5＜ t ＜=1.7： w =3.75+4.19*(t-1.5)；

1.7＜ t ＜=1.9： w =4.588+3.97*(t-1.7)；

1.9＜ t ＜=2.1： w =5.382+3.75*(t-1.9)；

2.1＜ t ＜=2.3： w =6.132+3.53*(t-2.1)；

2.3＜ t ＜=2.5： w =6.838+3.31*(t-2.3)；

（2）剎車工況分析。

當時間小于0.5s時，z向速度為7.05m/s，其余方向的速度都為零，將加油和出油管道中充滿液壓油；x方向按照起動工況的狀態(tài)定義一個左右晃動，加速度為3.7m/s2，此時為前進方向加速度最大時的取值；y方向速度一直為零；z向前進方向為主要運動方向，由于在計算的時候UDF中無法定義加速度，因此按照不同的時間段分別定義一個速度，在0.5～2.5s的范圍內(nèi)分為十個時間段，以z向最大加速度5.26為中點各向兩邊取1.0s，前一秒為緩慢減速運動，后一秒為急劇減速運動，迅速減速為0，整個過程7.05開始進行速度累積。計算時間為2.5秒，將其加速度簡化為線性。從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5 u=0

0.5＜ t t= -0.589*sin (2.0*3.1415926*(ti-0.5))，Velocity [2] =7.05；

0.5＜ t ＜=0.7： w =7.05-3.85*(t-0.5)；

0.7＜ t ＜=0.9： w =6.28-4.15*(t-0.7)；

0.9＜ t ＜=1.1： w =5.45-4.45*(t-0.9)；

1.1＜ t ＜=1.3： w =4.56-4.75*(t-1.1)；

1.3＜ t ＜=1.5： w =3.61-5.05*(t-1.3)；

1.5＜ t ＜=1.7： w =2.6-4.68*(t-1.5)

1.7＜ t ＜=1.9： w =1.664-3.64*(t-1.7)

1.9＜ t ＜=2.1： w =0.936-2.6*(t-1.9)

2.1＜ t ＜=2.3： w =0.416-1.56*(t-2.1)

2.3＜ t ＜=2.5： w =0.104-0.52*(t-2.3)

（3）顛簸工況分析。

當時間小于0.5s時，三個方向的速度都為零，只是將加油和出油管道中充滿液壓油；x方向按照起動工況的狀態(tài)定義一個左右晃動，加速度為3.05m/s2；y向定義一個半周期的余弦顛簸，加速度為2.8m/s2；z向給定恒定速度4.0m/s。計算時間為2.5秒，從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5， t＜=0.5 u=0.0

u=velocity [0] = -0.485*sin (2.0*3.1415926*(time-0.5))

Velocity [2] =0.0；

1.25＜t＜=1.75：w =-0.446* cos (4.0*3.1415926*(t-1.25))；

其余時間：v=0.0； w=4。

（4）拐彎工況分析。

當時間小于0.5s時，三個方向的速度都為零，只是將加油和出油管道中充滿液壓油；時間大于0.5s時，定義數(shù)值方向Y為轉(zhuǎn)向軸，角加速度為1.122，在1.4s內(nèi)轉(zhuǎn)向大約90度，初始時定義前進方向z向速度為6.3，按照加速度為4.5勻減速，同時x方向按照同樣的加速度勻加速。計算時間為2.5秒，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸，從而可以得出：

0.0＜ t ＜=0.5： w=0.0；

0.5＜ t ＜=0.7： w =1.0+2.25* (t-0.5)；

0.7＜ t ＜=0.9： w =1.45+2.75* (t-0.7)；

0.9＜ t ＜=1.1： w =2.0+3.25* (t-0.9)；

1.1＜ t ＜=1.3： w =2.65+3.75* (t-1.1)；

1.3＜ t ＜=1.5： w =3.4+4.25* (t-1.3)；

1.5＜ t ＜=1.7： w =4.25+4.25* (t-1.5)

1.7＜ t ＜=1.9： w =5.1+3.75* (t-1.7)

1.9＜ t ＜=2.1： w =5.85+3.25*(t-1.9)

2.1＜ t ＜=2.3： w =6.5+2.75*(t-2.1)

2.3＜ t ＜=2.5： w=7.05+2.25*(t-2.3)

三、計算結(jié)果

在啟動、剎車、顛簸和轉(zhuǎn)彎等四種情況下，分別對油箱中燃油的晃動問題進行了數(shù)值分析研究，在啟動、制動及顛簸時燃油在慣性力的作用下晃動，但是晃動的幅度不同，而轉(zhuǎn)彎時同時受到切向力和徑向慣性離心力的作用。制動時油箱燃油前后來回晃動，隨著壁面摩擦的作用液面逐漸趨于平靜。顛簸行駛時油箱內(nèi)燃油開始便出現(xiàn)了飛濺，隨后主要是上下顛簸晃動，啟動時油箱里面的燃油主要表現(xiàn)為前后晃動，拐彎時油箱里面的燃油出現(xiàn)了外面液面高、內(nèi)面液面低的特點。如圖5所示。

圖5 叉車四種不同工況下油箱油液不同時刻晃動狀態(tài)

叉車在行駛過程中由于啟動、剎車、顛簸和轉(zhuǎn)彎等因素，引起燃油與空氣相互作用，從而形成兩相耦合作用，表現(xiàn)為燃油在油箱里晃動。選取渦的矢量質(zhì)量平均和速度矢量的質(zhì)量平均來刻畫油箱里燃油的渦強度，如圖6和圖7所示，可以看到啟動和剎車過程燃油的渦強度變化是相反的，制動過程燃油的渦強度由大變小，而啟動過程燃油的渦強度由小變大，叉車在轉(zhuǎn)彎和顛簸行駛時燃油的渦強度都在一定范圍內(nèi)變化。

圖6 四種工況渦量平均值隨時間變化

圖7 四種工況速度平均值隨時間變化

四、結(jié)語

本文通過數(shù)值計算揭示了在制動、顛簸、啟動和轉(zhuǎn)彎等四種情況下，叉車油箱里燃油和空氣兩相物質(zhì)之間的耦合作用物理規(guī)律：（1）在四種工況中都能夠引起油箱內(nèi)燃油的晃動；（2）計算時采用了軟件中有限體積法捕捉兩相流的界面；（3）燃油渦強大的地方、時刻，速度場也較大，需要加固密封，同時相圖分析表明部分工況在某些時刻會出現(xiàn)油液飛濺的現(xiàn)象，應(yīng)該在這些地方注意密封等措施；（4）由于切向力和徑向慣性離心力的作用，制動時油箱里面的燃油前后來回晃動，隨著壁面摩擦的作用液面逐漸趨于平靜。

油箱燃油晃動問題研究是一個綜合性的系統(tǒng)分析過程，涉及到計算結(jié)構(gòu)力學(xué)，計算流體力學(xué)等，從工程的運用實踐來看，仿真計算在研究油液晃動問題時越來越顯示出其獨特的作用和功能。