汽車涉水可能造成零部件進(jìn)水、底護(hù)板變形撕裂、進(jìn)氣管進(jìn)水等問(wèn)題，如何利用仿真手段進(jìn)行開(kāi)發(fā)一直是工程師面臨的難題。Khapane, P.等[1]在水池中進(jìn)行了簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)，并通過(guò)自制的測(cè)力設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)標(biāo)，一致性較高。Zheng Xin等[2] 利用STAR-CCM+對(duì)汽車進(jìn)行涉水分析并提出了改進(jìn)方案，計(jì)算結(jié)果表明，加裝發(fā)動(dòng)機(jī)底部防護(hù)板可以將減少水流沖擊對(duì)底護(hù)板的壓力。之后，Zheng Xin等[3]采用VOF模型和SST湍流模型進(jìn)行RANS仿真，在車輛涉水仿真中加入了車輪轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)?？傮w上看，目前涉水仿真中習(xí)慣將車體作為移動(dòng)剛體，但實(shí)際行駛時(shí)，由于水的沖擊力和浮力，車體運(yùn)動(dòng)不會(huì)是簡(jiǎn)單的勻速移動(dòng)。如何加入流固耦合和多體動(dòng)力學(xué)考量，是今后需要解決的重要問(wèn)題。

1. 流固耦合介紹

在真實(shí)環(huán)境中行駛的汽車與其周圍的空氣或水（涉水工況）產(chǎn)生相互作用，在流體作用力的作用下，車身部件產(chǎn)生振動(dòng)、變形甚至損壞脫落的情形，這類問(wèn)題往往是涉及流體動(dòng)力學(xué)、固體力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科問(wèn)題，把這類涉及固體的剛體位移或柔性變形以及由此產(chǎn)生的與周圍流體的相互力學(xué)作用現(xiàn)象和規(guī)律的問(wèn)題歸納為流固耦合問(wèn)題。汽車工程中，部件的剛體運(yùn)動(dòng)或柔性變形和整車的剛體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生與周圍流體的相互作用，從而產(chǎn)生部件級(jí)的強(qiáng)度、疲勞耐久和振動(dòng)等問(wèn)題，對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性及行駛穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響。這類問(wèn)題主要分為流體與固體剛體位移耦合、流體與固體柔性變形耦合和流體與固體剛?cè)崽匦择詈先悊?wèn)題。仿真分析是解決這類問(wèn)題的重要手段，解決流固耦合問(wèn)題的仿真分析主要分為直接耦合和間接耦合兩種計(jì)算方法，直接耦合計(jì)算中將流體動(dòng)力學(xué)、固體力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行描述和建模，在工程上直接耦合計(jì)算使用的比較少，間接耦合計(jì)算主要是通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞完成不同學(xué)科方程之間的耦合求解。仿真分析中主要處理固體位移和變形與其表面所受流體壓力載荷之間的關(guān)系，完成流體與固體計(jì)算模型之間的數(shù)據(jù)傳遞；試驗(yàn)中通常測(cè)量固體的位移、速度、加速度、振動(dòng)、變形以及表面壓力等。


圖1 流固耦合仿真策略

2. 車輛涉水底護(hù)板脫落問(wèn)題簡(jiǎn)介

本文以車輛涉水過(guò)程底護(hù)板受力變形與脫落過(guò)程的建模與仿真為例，介紹流固耦合建模與仿真過(guò)程以及需要考慮的相關(guān)問(wèn)題。涉水是車輛在多雨季節(jié)和越野工況下通常遇到的行駛工況，水的沖擊作用下，車身結(jié)構(gòu)及附件產(chǎn)生變形甚至疲勞損壞的現(xiàn)象，以車輛涉水底護(hù)板損壞脫落為例，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行建模分析需要考慮包括如下問(wèn)題：車身、車輪及懸架的剛體位移，底護(hù)板的柔性變形、懸架的柔性變形、輪胎的柔性變形。

3. 多學(xué)科問(wèn)題建模與仿真過(guò)程

該問(wèn)題的建模過(guò)程需要考慮涉水過(guò)程的水和空氣的兩相流建模、車身及車輪的剛體位移、懸架的柔性變形和底護(hù)板的柔性變形和損壞的建模，這里采用基于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g接流固耦合仿真分析方法。

3.1 時(shí)間軌跡法

首先介紹通過(guò)軌跡法對(duì)車身及車輪的剛性位移進(jìn)行建模，這里采用時(shí)間軌跡法，相比于軌跡法，在軌跡曲線中引入時(shí)間變量，在仿真計(jì)算之前通過(guò)試驗(yàn)或預(yù)仿真計(jì)算的方法獲取車身及車輪準(zhǔn)確的時(shí)間位置曲線（這里考慮將懸架處理成剛性），如下圖所示，以時(shí)間軌跡法對(duì)車身及車輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，如圖2所示，以重疊網(wǎng)格處理車身和車輪的剛體運(yùn)動(dòng)，可以近似模擬車輛涉水過(guò)程，見(jiàn)圖3，圖4和圖5對(duì)比了軌跡法與時(shí)間軌跡法仿真過(guò)程的仿真過(guò)程，可以看出，時(shí)間軌跡法可以避免仿真過(guò)程中車輛軸距的細(xì)微變化誤差，仿真更加精確。


圖2 時(shí)間軌跡法使用重疊網(wǎng)格模擬剛體運(yùn)動(dòng)


圖3 時(shí)間軌跡法模擬的車輛涉水過(guò)程


a. 軌跡法


b. 時(shí)間軌跡法
圖4 軌跡法與時(shí)間軌跡法的網(wǎng)格對(duì)比


圖5 軌跡法與時(shí)間軌跡法仿真過(guò)程車輪距隨時(shí)間的變化曲線

3.2 真實(shí)懸架建模

當(dāng)然真實(shí)車輛涉水過(guò)程中，車輛的懸架是存在彈性變形的，車速也不是絕對(duì)勻速的，為了與實(shí)際涉水過(guò)程更為接近使得仿真更加精確，需要對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，包括了完整的懸架及車身多體動(dòng)力學(xué)模型、輪胎與地面接觸模型以及車輛驅(qū)動(dòng)模型。

如圖6所示，對(duì)車身、輪胎、懸架及路面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，模擬車身靜態(tài)釋放，可以看出在重力的作用下，懸架的壓縮運(yùn)動(dòng)和車身下沉運(yùn)動(dòng)，模型中包含了懸架的彈簧和阻尼元件建模。


圖6 懸架靜態(tài)釋放

如圖7和圖8所示，帶有懸架模型的涉水模型仿真過(guò)程中懸架的運(yùn)動(dòng)和涉水過(guò)程，可以看到在進(jìn)入水坑過(guò)程中，前后懸架存在壓縮和伸長(zhǎng)的過(guò)程，該模型中車身的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)給定驅(qū)動(dòng)車輪一定的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)的，為了貼近真實(shí)涉水過(guò)程，車輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線需要通過(guò)試驗(yàn)或預(yù)先仿真計(jì)算獲得，另外還可以通過(guò)設(shè)置控制策略，預(yù)先定義車輛的行駛速度曲線，通過(guò)控制策略自動(dòng)控制輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，自動(dòng)調(diào)整和控制車速。


圖7 涉水過(guò)程中懸架的運(yùn)動(dòng)


圖8 帶懸架模型的涉水過(guò)程

3.3 實(shí)車涉水底護(hù)板變形建模與仿真

如圖9所示實(shí)車底部分布了多塊護(hù)板，本文選擇發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板進(jìn)行受力和變形分析，圖10為實(shí)車涉水過(guò)程，圖11為底護(hù)板受到的流體壓力作用，基于流體模型的計(jì)算可以獲得底護(hù)板的流體載荷分布，將流體載荷作為結(jié)構(gòu)變形的載荷進(jìn)行計(jì)算可以獲得結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布，圖12展示了底護(hù)板受到流體沖擊作用力后的變形和應(yīng)力分布，護(hù)板的損壞或者脫落風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要綜合其變形和應(yīng)力分布進(jìn)行分析獲得。


圖9 實(shí)車底護(hù)板分布


圖10 實(shí)車涉水過(guò)程仿真


圖11 實(shí)車涉水過(guò)程底護(hù)板受力


a. 變形云圖


b. 應(yīng)力云圖
圖12 實(shí)車涉水過(guò)程底護(hù)板變形與應(yīng)力分布

4. 總結(jié)

基于以上車輛涉水過(guò)程底護(hù)板變形脫落問(wèn)題的建模與仿真問(wèn)題研究，可以看出對(duì)于常規(guī)的涉及流體與固體的剛?cè)崽匦择詈系膯?wèn)題的一般建模與仿真思路，采用基于數(shù)據(jù)傳遞的間接耦合方法，需要對(duì)物理問(wèn)題的流體動(dòng)力學(xué)模型、固體力學(xué)模型、多體動(dòng)力學(xué)模型等分別進(jìn)行建模，根據(jù)物理問(wèn)題的復(fù)雜程度和計(jì)算資源選擇同步耦合計(jì)算或異步耦合計(jì)算。同樣，本文的計(jì)算也暴露出了針對(duì)復(fù)雜物理問(wèn)題的建模與仿真的難點(diǎn)，比如，物理問(wèn)題越復(fù)雜，涉及的學(xué)科越多，模型越龐大，所需的計(jì)算資源越多，在實(shí)車的涉水仿真過(guò)程中，計(jì)算資源的限制問(wèn)題凸顯出來(lái)，基于實(shí)際問(wèn)題的合理假設(shè)和簡(jiǎn)化可以在計(jì)算資源和模型精度之間取得平衡。另外，通過(guò)搭建系統(tǒng)級(jí)仿真分析模型有利于工程力學(xué)問(wèn)題更為精確的建模，利于各學(xué)科之間的交流與合作，對(duì)于解決類似涉水過(guò)程底護(hù)板脫落這類復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題提供更好的解決方案。


[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.