基于ABAQUS 的汽车防抱死系统流固耦合分析

钱古椿

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

汽车防抱死系统简称ABS[1]，其作用就是在汽车制动时，自动控制制动器制动力的大小。其子系统的合理分工对汽车的安全性能有着重要影响，其中关键是研究子系统的受力状态，油压的流动行为。针对汽车防抱死系统安全性问题，许多学者有着自己的见解。曾凡钦等[2]基于整车模型的汽车制动系统通过对其输入压力的改变测算其滑移率的大小，从而评估整车安全性，但并未拆分出关键部件进行研究分析；田敏等[3]基于MATLAB 对汽车ABS 系统建立数学模型，通过对输入端数值的改变，测算其制动效果，但并未对建立系统实体模型进行求解分析；樊明等[4]基于ABAQUS/CAE 平台对汽车仪表板手套箱进行热固耦合应力分析，仅有单一的输入端压强输入，没有产生变量形成对比。本文以汽车防抱死系统的关键组件——球阀为研究对象，精确研究流体流量对其稳定性的影响。球阀就是利用球体的移动或者转动的方法来使开关闭合或打开，从而达到控制流体流量的弹簧阀。球阀运用油压与弹簧间的受力关系，当油压较大时，弹簧会被压短，液体内部过载的油压会得到释放，随着压力的减小，弹簧逐渐恢复至初始状态，此时球阀便会自动闭合。所以将模型分为结构部分与流体部分，分别定义材料、边界条件、流固耦合接触、网格控制，最后基于不同输入端压强创建多组协同分析，查看求解对比分析结果。

1 模型处理

针对球阀模型，在此模型中，流体场为二维模型，但ABAQUS/CAE 只支持三维求解，因此首先要对模型进行预处理，在三维模型建立对应的对称面，从而对二维模型进行模拟。本文将二维模型分为结构部分和流体部分，分别进行求解分析。

结构部分，将单元模型设置为C3D8R，边界条件选择平面应变，结果模型如图1 所示。

图1 实体模型Fig.1 Entity model

流体部分，模型使用六面体流体单元FC3D8，流体为具有一定稠度的油，因此模型被设置为不可压缩的牛顿流体[5]。油的密度为980 kg/m3，黏度为0.5 Pa·s，初始状态被认为静止，即初始的速度设置为0。根据流体输入端的压力条件，流体的流动状态设为湍流。流体模型如图2。根据设置，在流体的输入端，施加一个周期为0.01 的正弦压力曲线，输出端为正常大气压强。

图2 流体模型Fig.2 Fluid model

其中，球阀移动或者变形时，流体网格也会随之移动和变形，所以流体模型网格调用拉格朗日-欧拉算法[6]：

其次，为了控制网格在变形过程中的大小，使其不会因为严重畸变影响求解结果，需对其变形刚度与收敛条件进行约束，控制其密度在2.1E-10。

2 建立流固耦合分析

2.1 定义流体截面

将质量密度为980 kg/m3、动力粘度为0.5 Pa·s的材料属性赋予流体模型整体。

2.2 定义流体边界条件

针对流体模型球阀在实际工作中的工作方式以及工作习惯，本文需分别对球阀上表面、下表面、前端面、后端面、周边面以及周边网格进行不同定义，具体定义如表1 所示。

表1 流体边界条件Tab.1 Fluid boundary conditions

2.3 定义初始流场

基于流体模型定义流场。设置流场分析步为Initial，类型选择Fluid，种类选择Fluid turbulence，单击OK 完成设置。

2.4 定义流固耦合接触

基于流固耦合力学[7]的重要特征是两相介质之间的相互作用，所以在定义了模型材料与边界条件之后，需对模型的相互接触进行定义。针对流体模型和结构模型的BALL 区域创建流固耦合接触。对于流体模型以S-A 湍流模型为分析步，BALL 区域边界为流固耦合边界创建接触；对于结构模型以动力/隐式为分析步，BALL 区域边界为流固耦合边界创建接触。流体模型接触如图3 所示，结构模型接触如图4 所示，图中的中心圆形区域为BALL区域。接触设置如表2 所示。

表2 流固耦合接触Tab.2 Fluid-solid coupling contact

图3 流体模型接触Fig.3 Fluid model contact

图4 结构模型接触Fig.4 Structural model contact

2.5 定义协同分析

在完成了各项定义之后，结合实际工况，针对流体模型和结构模型展开分析。在模型树中创建协同分析，选择流体模型为第1 个模型，选择结构模型为第2 个模型，分别进行流体分析和标准分析，设置完成，提交协同分析并实时查看求解进程。

3 流固耦合结果分析

首先查看结构模型求解结果，在结构模型可视化界面查看球阀的应力分布，如图5 所示。单击绘图工具，选择历史输出文件，继续选择Y 方向的位移输出2，如图6 所示。

图5 结构模型应力分布Fig.5 Structural model stress distribution

图6 结构模型位移曲线Fig.6 Structural model displacement curve

查看流体模型流体计算结果，将工具栏中输出变量设置为V，查看流场速度分布，如图7 所示。将工具栏中输出变量设置为PRESSURE[8]，查看流场压力分布，如图8 所示。

图7 流场速度分布Fig.7 Flow field velocity distribution

图8 流场压力分布Fig.8 Flow field pressure distribution

将应用命令类型更改为线（Line），查看流场速度与压力分布线图，如图9 和图10 所示。

图9 速度等值线分布Fig.9 Velocity contour distribution

图10 压强等值线分布Fig.10 Pressure contour distribution

通过对比分析可以发现，当流体的输入端压强增大时，球阀向打开方向运动，流体也随之向输入端移动，最后球阀会呈现完全打开的状态，此时压力达到峰值1.028e4 MPa。在球阀闭合阶段，位移曲线会有略微不同，因为在定义过程中应将流体定义为不可压缩并且具有一定张力。

4 修改压强再次求解

将流体出入端的压强增大，以10 倍为一个量级，将输入端压强由1e4 Pa 改为1e5 Pa，观察速度等值线图与压强等值线图，如图11 和图12 所示。输入端的压强增大，球阀压力变化更加明显，峰值压力增加了3 倍，达到3.579e4 MPa。压力变化如表3 所示。如果对输入端压力再次增大，则需要设置Rayleight 质量阻尼系数，可将α_R 设置为1 000，保证求解过程的稳定性，可设置多线程求解计算，保证求解时间的合理性。综合不同输入端的压力变化，并结合实际工况可以对球阀参数或者材料进行优化，以适应不同的输入端压力，为实际汽车防抱死系统球阀部件的设计提供参考指导。

图11 速度等值线分布Fig.11 Velocity contour distribution

图12 压强等值线分布Fig.12 Pressure contour distribution

表3 压力变化Tab.3 Pressure changes

（续表）

5 结语

本文针对汽车的防抱死系统（ABS）的关键组件——球阀进行流固耦合分析，详细介绍了流体模型和固体模型的前处理设置、流固耦合接触面的定义、协同仿真和后处理等，通过调整输入端的压强变化，分析求解结果中流场速度分布和流场压力分布的对比分析，可精确地对流体流量进行设计。本文可为发动机热管理、电子散热、水泵旋转等流固耦合问题提供参考。