（光学工程专业论文）液力减振器流固耦合fsi动特仿真研究.pdf

m 1 1 1 1 l l l l l l i l i l l 1 1 1 1 l 删1 1 l i l i y 17 7 6 3 8 6 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r s i m u l a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f h y d r a u l i cs h o c ka b s o r b e rb yf l u i d s o l i d i n t e r a c t i o n ( f s i ) c a n d i d a t e ：l ix i a o b o a d v i s o r ：x i ew e i d o n g c o e g e0 fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y m a y2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：冶心、杏 日期：知2 。年。参月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 f 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：摩心友 日期：如k 年。万月f d 日 导师签名：r 1 耄磊 日期：乙。，年易月，口日 浙江工业大学硕士学位论文 液力减振器流固耦合( f s i ) 动特性仿真研究 摘要 双筒液力减振器在轿车上有着广泛的应用，改善减振器的设计方法并对其工作特性做 出较准确的预测，对减振器技术的发展有着重要意义。由于其工作特性受流固耦合等诸多 非线性因素的影响，从而造成对减振器设计和分析的难度很大。传统的设计方法不仅周期 长，而且难以获得最优的减振器特性。随着计算机技术的不断发展，对减振器进行c a d 设计成为减振器设计的趋势。 本文以某双筒液力减振器为研究对象，通过分析其工作原理和阀系结构，建立复原阀 流固耦合动力学模型。对叠加阀片组间接触采取添加轴向位移约束处理的方法，有效地减 小了模型的规模和计算时间。对叠加阀片组的变形及阀片附近区域油液的流场特性进行分 析，得出阀片的时间历程图验证了模型的正确性。该方法可在一定程度上减少减振器模型 设计参数对试验的依赖。对实物减振器进行了基于国家标准的台架试验，得到其相应的特 性图以验证后续模型的有效性。 建立了双筒液力减振器整体流固耦合动力学模型。根据减振器的工作过程，将其分为 复原行程、压缩行程两部分。通过合适的网格细化技术有效的保证了油液常通孔处和耦合 区域模型的网格质量；采用施加空载荷步及无量纲技术等手段有效地提高了求解收敛性。 对三维减振器油液的闭式速度特性、动压力分布等进行了分析。将不同行程中阀系两端的 压力差转化为绝对压力，得出模型的速度阻尼特性，与实验所得图形进行对比，分析模型 的正确性及存在的不足。所建立的动力学模型可为减振器相关产品设计提供技术参考。 关键词：减振器，阻尼特性，流固耦合，节流阀 浙江工业大学硕士学位论文 s i m u l a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f h y d r a u l i cs h o c ka b s o r b e rb yf l u i d s o l i d i n t e r a c t i o n ( f s i ) a b s t r a c t t w o n l b eh y ( 1 r a u l i cs h o c ka b s o r b e r sa r ea 妇do f 谢d e l yu s e da b s o r b e r si i lc a r s i ti sv e r y m e a l l i n g m lt ot h ed e v e l o p m e n to f s h o c ka b s o r b e rt e c h n o l o g yt oi m p r o v et l l ed e s i g nm e t l l o d sa n d p r o v i d em o r ea c c i l r a ：t ef o r e c a s to fi t sp e r f - o 邛n c ec h a r a c t e r i s t i c s i t sp e r f o m a n c ec h a 您c t e r i s t i c s m a yb e 世b c t e db ym a n yn 伽1 1 i n e a rf a c t o r ss u c ha u sf l u i d s o l i dc o u p l i n g ，ma ：k i n g 也ed e s i g na 1 1 d m ea n a l y s i so ft l l es h o c ka b s o r b e rv e r yd i 伍c u l t t r a d i t i o m ld e s i 弘m e t h o di sn o to i l l ya1 0 n g c y c l e ，b u ta l s o h a r dt oo b t a i l lt h eo p t i m a l 蛐p e rc h a r a c t e r i s t i c s w i t l l 也ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c l l n 0 1 0 9 y ，c a dd e s i 印o ft l l es h o c ka b s o r b e rb e c o m e s 吐1 et r e n do f s h o c ka b s o r b e rd e s i g n i i lt l l i sp a p e r ，ac o m m o l l l yu s e d 咖) eo f 铆o i t u b eh y d r a u l i cs h o c ka b s o r b e r sw 嬲s n l d i e d b y a r l a l y z i i l gm es 仇l c t u r ea i l do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h es h o c ka b s o r b e rv a l v es y s t e m ，ad y n 锄i c m o d e lo fr e b u i l tv a l v en u i d - s o l i dc o u p l i l l gw a sb u i l t ，锄d 让l em o d e ls c a l ea j l do v e r a l ic o m p u t i n g t i m ew a ss h a r p l yr e d u c e db ya d d 证ga x i sc o i l s n a i l l t st o 廿l ec o n t a c t sb e 铆e e ns t a c h n gv a l v e g r o u p s m e a n w k l e ，吐l et i m ec h a no fv a l v e s ，d e d u c e db ya i l a l y z i n gt h ed e f o m a t i o no ft l l e s t a c k i i 玛v a l v eg r o u pa n d 也ef l o wf i e l dc 1 1 a r a c t e r i s t i c sn e a rm ev a l v eg r o u p ，v a l i d a t e dt l l em o d e l t h em e t h o d ，t os o m ee x 钯l 也c o u l dm a k em ed e s i 9 1 1 e dp 聪l i i l e t e ro fs h o c ka b s o r b e rl e s sd e p e n d o nt 1 1 ee x p e r i m e n t i i lm el a s tp l a c e ，t l l ep h y s i c a ls h o c ka b s o r b e rw a st e s t e do nb e n c hb a s e do n m t i o n a l 眙m d a r d s ，a i l dm ec h a no fr e s p o n d i n gt e c h i l i c a lc l l a r a c t e r i s t i cw a sg a i l l e da n dt l l e e f f e c t i v e n e s so f l ef o l l o w - u pm o d e lw 硒v a l i d a t e d ad y n 锄i cm o d e lo f n u i d - s o l i dc o u p l 堍o ft w 0 一m b eh y d i a u l i cs h o c ka b s o 慨r 、懈b u i l t i i l 觚sp a p e r ，a i l dn l em o d e lw a sd i v i d e di n t o 铆op a r t si i l c l u d i i l gr e h a b i l i t a t i o na 1 1 dc o m p r e s s i o n a c c o r d i n gt ot h ew o r l ( i i l gp r o c e s so fs h o c ka b s o r b e r 1 1 1 e 鲥dq u a l i t yo fn l eo i lt l l r o u 曲h 0 1 e 锄d i i 浙江工业大学硕士学位论文 t l l e c o u p l i n gr e g i o n a l m o d e lw e r ee n s u r e d b ye f f e c t i v em e s l l i n gt e c l l i l o l o g y s o l u t i o n c o n v e r g e n c ew a l si m p r o v e de f 梵c t i v e l yd u et om e a n so f a ne m p t yl o a ds t e pa n dn o n d i m e n s i o n a l t e c h n o l o g y s u b s e q u e m l y ， s o m ea n a l y s i sr e l a t e dt ot 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fac o n t i n u o u s s t e a d y s t a t eb e h a v i o ro f 廿l et 1 1 】r e e - d i i l l e i l s i o n a lc l o s e do i lc n u i to fs h o c ka b s o r b e rw e r ed o n e b yc o n v e r r t i n gt h ep 代s s u r i ed i f j f e r e n c eb e t w e e nv a l v es y s t e m sw o f k i n gi 1 1d i f ! f e r e n ts t r o k e si i l _ t 0 a _ b s o l m ep r e s s u r e ，t h es p e e d 出忸p i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft l l em o d e lw a l so b t a i n e d ，a 1 1 dt h e ni tw a s c o m p a r e d 晰吐1t h ee x p e r i m e n _ t a ld a t ai i lo r d e rt 0a 芏：l a l y z em ea c c u r a c ya n ds h o r t c o m i l l g so ft h e m o d e l 1 1 1 ee s 协b l i s h e dd y n 锄i cm o d e li nt h i sp a p e rc a i lo 脓t e c c a lr e f e r e n c et o 恤s h o c k a b s o r b e rr e l a t e dp r o d u c td e s i g l l k e yw o r d s ： s h o c ka b s o r l ) e r ，d 锄p i n gc h a r a c t e r i s t i c ，n u i d - s o l i di n t e r a c t i o n ，t 1 1 i i o t t l e 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 目录 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 选题背景。l 1 1 11 新言1 1 1 2 课题项目来源2 1 1 3减振器参数化建模的意义。2 1 2 流固耦合( f s i ) 理论研究概况3 1 3 减振器参数化建模的研究4 1 3 1 减振器参数化设计国内外研究现状4 1 3 2 基于流同耦合理论的减振器参数化模型研究：7 1 4 论文主要内容8 1 5 本章小结9 第2 章减振器的结构分析与测试 l o 2 1 减振器的结构分析1 0 2 2 减振器性能试验1 2 2 2 1试验内容1 2 2 2 2 试验仪器1 3 2 2 3 速度特性与示功特性图1 4 2 3 本章小结1 5 第3 章复原阀流固耦合系统的建模分析 1 6 3 1a d 烈a 流固耦合动力学分析原理1 6 3 1 1耦合系统方程1 6 3 1 2 耦合系统的求解1 8 3 2 复原阀阻尼特性分析2 1 3 3 复原阀耦合动力学模型2 3 3 3 1建立模型2 3 3 3 2 边界条件。2 5 3 3 3 模型的初始条件。2 8 3 3 4 求解策略2 8 3 4 数值模拟的结果与分析2 9 3 4 1 油液流体特性分析。2 9 3 4 2 叠加阀片组分析3 3 3 5 本章小结3 4 第4 章减振器整体流固耦合动力学特性仿真分析3 5 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 阀系的流体力学理论3 5 4 2 建模过程中的假设3 7 4 3 减振器流同耦合有限元模型3 7 4 3 1网格划分4 0 4 3 2 边界条件4 l 4 3 3求解策略及控制参数4 2 4 4 数值模拟的结果与分析4 3 4 4 1压缩行程4 3 4 4 2 复原行程4 6 4 5 实验验证与误差分析4 8 4 6 本章小结5 0 第5 章结论与展望5 l 5 1 结j 淦51 5 2 展望5 2 参考文献 致谢 攻读学位期间参加的科研项目和发表的论文 附录 5 3 5 6 5 7 5 8 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 1 1 1 前言 近年来我国汽车工业发展迅速，国内汽车零部件企业作为汽车的配套产品也获得了前 所未有的机遇。“十五期间我国汽车零部件工业得到了迅速发展，汽车零部件基本上满 足了高速的汽车生产和社会维修服务的需要，基本上具备了商用车以及中低档乘用车零部 件开发与配套能力，具备了中高档乘用车零部件引进消化能力【l 】。 据不完全统计，全国汽车零部件企业约几万家，主要集中在上海、浙江等地汽车零部 件行业从业人员1 1 5 万人，占汽车工业总从业人数的5 3 2 。另外，随着世界大型跨国汽 车企业不断进入中国，世界著名的跨国汽车零部件巨头，如德国博世、美国德尔福、日本 电装、富士通、法国法雷奥等也纷纷以不同方式来华办厂【2 】。据统计，世界1 0 0 强的汽车 零部件企业中的7 0 已在中国建厂，在中国投资的外资汽车零部件企业超过1 2 0 0 家。跨国 汽车零部件汽车加速布局中国的背后是中国巨大的汽车市场。 汽车零部件企业不断发展的同时也创造着可观的经济和社会效益。2 0 0 5 年国内汽车零 部件市场规模约为5 8 0 0 亿元，出口额为1 2 0 0 亿元。2 0 0 6 年中国汽车零部件企业销售收入 达到4 0 3 5 亿元。预计到2 0 1 0 年中国汽车零部件国内产值将达到7 0 0 0 亿元左右。汽车 工业“十一五 发展规划提出，我国要全面提高汽车零部件行业的竞争力，争取到2 0 2 0 年发展成为全球零部件生产大国，跻身国际零部件工业强国。争取在“十一五 末将汽车 及零部件出口额提高到3 5 0 4 0 0 亿美元。 伴随着全球竞争的日益加剧，世界发达国家的汽车产业发生了新的变化，汽车零部件 行业呈现集团化、技术高新化、供货系统化等特点。在汽车及零部件企业取得进步的同时， 也必须看到我国的汽车产业与世界先进国家还是存在着不小的差距。主要体现在以下几个 方面【3 j ： ( 1 ) 数量上的差距：以9 8 年为例，汽车1 0 0 强企业中，排名第l 位的德尔福和第l o o 位的卓越公司的全球销售额分别为：2 6 4 亿美元和5 0 6 亿美元。而我国销售收入在2 亿元 人民币以上的5 4 家汽车零部件企业，其销售总收入仅为3 4 亿美元，与全球大企业存在不 在一个数量级的差距。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 产品技术水平上的差距。以含高科技含量的电子控制产品如：汽车悬架、万向 节手动变速器、汽车发动机、汽车仪表等方面的销售额差距更是触目惊心。 ( 3 ) 研发能力上的差距。我国与汽车零部件行业与全球零部件百强企业的差距巨大， 该差距还在进一步拉大。如我国最新引进的轿车，其装备仅仅是其上世纪8 0 年代的产品， 且绝大部分关键零件并未完全实现国产化。其中，发动机的国产化率为2 5 6 0 ；自动变 速器部分则为零；前后桥部分为2 0 9 6 6 0 等等。另外在诸如生产方式方面、配套关系方面 等都存在不同程度的差距。 1 1 2 课题项目来源 多车型共享底盘平台是当前国际主要汽车生产厂家的优势之一。多车型共享技术可将 同一套整车开发技术应用到不同的车型中，通过对市场的分析，可快速的开发出满足市场 需求的产品，从而快速占领市场，获得更大的商业利润。 自从我国加入w t o 后，国外汽车品牌不断涌入我国，此时自主品牌机遇与挑战并存。 自主品牌面临如何加快新车型的开发，减少研发周期和成本的严峻挑战。国内汽车行业正 从借鉴成熟的底盘技术向自主开发多车型共享底盘过渡。 论文以浙江省科技厅重大专项工业项目多车型共享底盘平台数字化开发技术及应 用( 2 0 0 8 c 0 1 0 0 2 ) 为课题来源，主要工作是双筒液力减振器流固耦合动力学模型的研究， 着重对减振器整体流固耦合阻尼特性进行研究等，为汽车底盘数字化设计系统的开发提供 依据。 1 1 3 减振器参数化建模的意义 减振器作为汽车关键零部件之一，近年来国内减振器行业也取得了迅猛发展，国内减 振器的制造水平已有很大的提高【4 j 。目前，在中低档轿车领域，采用的基本上是国内生产 的减振器。随着技术水平和售后服务水平的提高，国内减振器的出口量也在不断提升，出 口的产品也不仅局限于低端产品，还有部分的高端产品供应国外的改装车市场。出口的地 域也从东南亚等地区向德国等汽车工业发达地区进军。同时我们也必须看到，国内减振器 的技术水平与国际先进产品的差距依然明显。减振器生产过程中主要技术难点是与整车匹 配方面，如何消除汽车行驶过程中的振动源是减振器研发过程中的主要工作之一1 5 】。此外， 一些高端车型的减振器还是依赖进口；国产减振器产品的可靠性还有待提高；国外主动可 调电磁式减振器，通过电脑控制，极大地提高了乘坐舒适性，而国内减振器仅为高度可调 的低端被动调节等。 2 浙江工业大学硕十学位论文 减振器具有极高的技术含量，其技术水平在一定程度上反映一个国家的汽车零部件水 平【3 ，6 1 。我国减振器的制造企业很多，但据有关资料表明，我国减振器的年产量只是美国底 特律一个减振器公司年产量的2 0 3 0 ，国产减振器以中、低档产品居多。国外先进工业 化国家悬架液压减振器的设计制造是建立在广泛的标准化和系列化基础之上的，在计算机 技术十分发达的国家大都有减振器c a d 的设计制造技术部。减振器产品是一个机械、液 压相结合的高技术含量的产品，想通过精确地计算设计一个产品的难度很大，但却成为未 来减振器设计的一个的趋势【7 ，8 】。 我国绝大多数减振器的设计还停留在经验设计基础上的反求来实现【9 】。特别是近年来 减振器行业的竞争越来越激烈，要想在激烈的竞争中立于不败之地，就需要不断提高产品 的质量。因此，建立减振器参数化模型，通过计算机模拟分析各因素对减振器性能的影响， 这对于改进减振器的结构设计、提高减振器的品质、缩短研发周期以及节约成本等方面都 是很有意义的。 1 2 流固耦合( f s i ) 理论研究概况 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门新的力学分支，它是研究变形 固体在流场作用下的各种行为以及固体位移对流场影响的一门科学【1 0 】。流固耦合力学的重 要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下产生变形或运动，变形或 运动又反过来影响流体，从而改变流体载荷分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件 下产生形形色色的流固耦合现象。 国外学者对流固耦合理论的研究主要集中在美国、英国、德国和日本等国家。在美国 有一半以上著名大学的土木系都开展了对流固耦合的应用研究，其中最突出的是m i t 的 b a m e 。在b 柚e 的主持下，美国每年召开一次关于流固耦合问题研究的学术交流会，并且 在商业软件上实现了流固耦合问题的计算。随着有限元技术和计算机硬件的不断发展， t n o m u r a 及k j b a t h e 等在n s 方程中采用a l e ( m i 仃a r ) ，l a g m g i a ne u l e r i a l l ) 描述出来 流体与固体之间的大位移运动，从而对流固耦合动力学的计算成为可能，并且在航天、航 空、核工业和生物力学领域得到了一些应用。 流固耦合问题的研究涉及到流体力学的基础理论、计算流体动力学( c f d ) 、耦合理 论、流固耦合数值求解方法以及实际应用等，最好的办法是在统一场或混合场中进行流固 耦合问题的研究，然而，事实上却存在不可逾越的困难【l 。比较现实的办法是，按照平衡 协调的原则分别建立流体和固体以及界面的控制方程，通过一系列的动态分析使流体和固 浙江工业大学硕士学位论文 体处于耦合。为解决流固耦合问题，首先必须解决计算流体动力学和流体有限元。其中， 计算流体动力学包括有限差分法、有限体积法和有限元法；有限元法涉及到流体稳定性、 网格的更新、耦合面间信息的传递及网格匹配等关键问题的研究。绝大多数的f s i 有限元 方程是非线性的，对于非线性方程的求解必须采用求解线性代数方程的迭代方法。f s i 中 一个挑战性的问题是大型稀疏不对称矩阵的计算效率问题。 有限元的f s l 分析方法需要解决三方面的问题【1 2 】： ( 1 ) 耦合面上作用力的准确传递。在a d i n a 分析中，固体模型与液体模型是分开建 模的，两者之间耦合分析的关键是，在其各自实际作用面上定义耦合面。两者的网格不需 要保持一致，但要满足一定的容差要求。由于两者网格之间的差异，耦合面上的液体节点 位移需通过固体节点的位移插值得到，而固体节点受到液体作用力通过对附近液体应力积 分得到。 ( 2 ) 描述固体的变形或位移对液体模型的影响。目前常用的方法是将欧拉坐标系统 下的n s 方程映射到a l e ( a r b i t 删l a g r a j l g i a ne u l e r i a 即任意的拉格朗日一欧拉) 坐标系 统中，a l e 坐标的位移和速度对应液体节点的位移和速度。在a d i n a 中，耦合面上液体节 点的位移和速度由固体的变形得到，由此引起的液体区域的变化，可采用任意液体节点的 位移增量通过求解l 印l a c e 方程得到。如在求解过程中遇到大变形的情况，可采用相应的 措施，来控制网格的变形，保证网格的质量，防止求解过程的不收敛。 ( 3 ) 耦合系统的求解。a d i n a 中提供了两种方法：迭代解法和直接解法，这两种方 法保证动态分析时固体和液体之间时间积分点的一致性。绝大多数的f s i 有限元方程是非 线性的，对于非线性方程的求解必须采用求解线性代数方程组的迭代方法。同样的，a d i n a 中的这两种方法均须通过迭代得到有限元方程的解。迭代算法中液体和固体求解变量是完 全耦合的，而液体方程和固体方程却是分别求解的；直接解法是将固体模型和液体模型装 配在同一矩阵中求解。 1 3 减振器参数化建模的研究 1 3 1减振器参数化设计国内外研究现状 减振器的工作特性不仅要满足整车动力学特性的要求，且自身的工作特性曲线也要尽 量做到饱满、圆润，不出现工作行程畸变。在减振器设计的初始阶段，建立减振器的仿真 模型，对其工作性能做出较准确的预测一直是研究的热点。 4 浙江工业大学硕士学位论文 从2 0 世纪7 0 年代开始，国外学者就已经开展了对双筒液压减振器工作特性模拟分析 的研究。其中比较有代表性的是l a n 3 1 ，他建立的悬架减振器的集总参数模型共包含8 3 个参数，主要用于研究减振器高频特性畸变问题。该模型揭示了油液的可压缩性及工作腔 内混入的气体是减振器在高频频率下出现迟滞现象的主要原因。之后学者对减振器工作迟 滞现象进行了有针对性的研究，主要是在l a i l g 的基础上对上述模型不断完善，并且有学 者提出了防止减振器高频畸变的设计准则。这阶段建立的主要是减振器的物理参数模型， 即模型反映减振器实际的工作过程及详细的内部结构，由于减振器工作过程的复杂性，导 致建立该类模型所需要的参数众多，不利于整车动力学研究。 图1 1 减振器的物理参数模型 建立适用于汽车整车动力学分析的减振器简化模型是近年来较为活跃的领域。2 0 世纪 8 0 年代末期，k a r a d a y i 和m a l s a d a 认为l a n g 的模型虽然能较好地表达减振器的非线性阻尼 特性，但模型本身过于复杂【1 4 】。为了建立一种既能表达减振器迟滞特性又较为简明的模型， 他们采用了将减振器等效为由弹性元件、阻尼元件、间隙及摩擦元件等组合而成的力学模 型，即减振器的等效物理参数模型。此类模型不考虑减振器实际的内部结构和详尽的工作 过程，元件的力学特性既可以是线性的又具有非线性，该组合系统能够较好的表达出减振 器的非线性动态特性。k a r a d a y i 的建模方法为建立减振器少参数模型探索了一条有效的途 径，但作为试探性的工作，其模型仿真结果仅在减振器的低频运动工况下能够与实验结果 较好的吻合1 1 5 】。 浙江工业大学硕士学位论文 c 一阻尼元件；k 一弹性元件；1 l r 一摩擦元件，一间隙元件 ( a ) 阻尼元件与弹性元件的串联模型 ( b ) 阻尼元件、弹性元件和摩擦元件的组合模型 ( c )阻尼元件、弹性元件、间隙元件和摩擦元件的组合模型 图1 2 减振器等效参数模型 ( c ) 上世纪9 0 年代初期，剑桥大学的b e s i n g e r 和c o l e 等人将这种建模方法应用于重型车 辆悬架减振器的建模，并采用了非线性的弹性和阻尼元件，建立了7 参数模型【1 6 】： 只= ；丝+ c 2 ( v v l i 。) 该模型虽然含有较少的参数，但是能比较准确地描述减振器的性能，其模型仿真结果 在活塞运动频率小于1 4 h z 及速度小于1 m s 的范围内与实验测试结果吻合较好。 随着c a d c a e 技术的快速发展，整车的设计开发周期的日益缩短，对汽车零部件的 研发也有了新的要求。运用c a e 技术，对减振器初期设计阶段的性能做出预测，逐渐受 到有关学者的重视。1 9 9 7 年，德尔福底盘系统的l e e 针对某单筒充气式减振器建立了数值 分析模型，用于在设计阶段预测减振器的工作特性i l7 1 。 国内在减振器动态特性建模领域起步较晚，但也做了一些分析工作，建立的模型主要 包括简化的物理参数化模型、等效物理参数化模型及非参数化模型【1 5 ，1 8 】。 物理参数模型主要是考虑减振器工作过程中油液流动及阀片变形等工作状态的数学 模型。该模型用于减振器工作特性的预测，但建立的物理参数模型对减振器的实际结构作 了较大的简化，也未深入考虑工作温度、摩擦力等因素对减振器阻尼特性的影响【19 1 。 等效物理参数化模型是将减振器抽象成几个具有特定力学特性的典型物理元件的组 6 浙江工业大学硕士学位论文 合体，建立等效的力学特性模型。有关减振器等效参数化模型的研究主要是将国外的建模 方法应用于国产汽车悬架减振器的建模。目前对此类方法的建模过程己经掌握，但其应用 研究还有待于进一步开展【2 0 1 。 非参数化模型是一类基于对减振器实验测试分析的模型，它不考虑减振器的实际结构 和内部工作过程，这种建模方法的研究目前仅限于对实验测试结果的简单拟合。这种建模 方法主要应用在振动试验模态分析。 1 3 2 基于流固耦合理论的减振器参数化模型研究 建立减振器等效参数化模型时，一般的做法是将各个腔室的油液压力做均匀处理，而 减振器实际工作过程中，油液的压力是非均匀的，尤其在节流阀附近区域，油液的流体状 态和压力分布是复杂的且不断变化的，这必然导致模型产生误差，同时对于一些关键模型 参数如：弹性阀片组的变形量、节流系数等也是过多的依赖试验和长时间的工作经验，不 便于对减振器性能的准确预测【2 1 丑】。造成上述情况出现的主要在于流场分布的不均匀性和 结构的复杂性等原因，从而导致这种建模方法不可能准确求解流体压力场分布、阀系组变 形等问题，而只能借助于实验测试得到流量系数等模型参数。随着结构有限元分析( f e a ) 和计算流体动力学( c f d ) 技术的发展，建立减振器的分布参数模型，采用数值方法进行 减振器内部的复杂工作特性仿真分析成为可能。但是，准确描述和求解减振器节流阀系与 油液耦合非线性动力学问题是筒式液力减振器建模及分析技术中的难点，其中包括流场压 力和速度的非稳态分布特性、弹性元件的非线性弹性特性、流场与结构的动力学耦合特性 分析等【2 3 】。此外，介质工作温度、减振器内部油气混合、气液相变等因素都会对减振器工 作特性产生影响，因此应在分析模型中加以考虑。某些学者己采用分布参数模型计算确定 集总参数模型的关键参数，但尚没有建立完整的减振器内部结构一流体分布参数分析模型。 建立减振器的参数化模型，并考虑较多的非线性因素如：阀片与油液的耦合作用，使 所建模型更准确的对减振器的特性进行预测。目前，国内对减振器流固耦合性能方面做的 工作还不是很多。 清华大学吕振华等利用相关有限元软件，建立简式减振器节流阀的耦合动力学模型， 并对阀系的非线性节流特性，阀板的动态响应以及节流阀的流场特性进行了研究【2 4 1 。 清华大学吕振华等对两种不同结构补偿阀流固耦合动态响应进行了对比分析。分析表 明，不同结构的补偿阀，有着较大差异的补偿能力，进而影响减振器空行程畸变的临界速 度点【2 5 】。 浙江工业大学硕士学位论文 清华大学李世民运用预估计压力的方法建立节流阀系间接流固耦合动力学模型。证明 模型正确性的基础上，建立了包含橡胶套的充气式减振器直接流固耦合有限元模型，对减 振器的高频特性及空行程畸变的原因等进行了研究【1 6 加】。 重庆大学李进等采用流固耦合分析技术以a n s y s 和a n s y s yc f x 软件为仿真工具， 研究了减振器压缩行程初始阶段活塞及阀片的动态特性和内部油液的流动情况【2 7 】。 清华大学上官文斌，吕振华等建立基于流固耦合理论的液阻悬置集总参数模型，对模 型的静、动特性进行分析，研究了液阻悬置内部参数的变化对其性能的影响【2 8 】。 1 4 论文主要内容 减振器有着不同的结构型式，对不同结构的减振器流固耦合工作特性进行研究，为减 振器初期设计提供技术参考是很有必要的。本文对减振器复原阀流固耦合节流特性和油液 的流场特性进行研究，建立减振器整体流固耦合有限元模型，分析在低频速度载荷作用下， 油液的闭式速度特性、油液的压力分布及阀片组变形等。 本文用a d i n a 完成上述工作，主要的工作如下： ( 1 ) 第2 章，分析了某双筒液力减振器的内部构造及其阻尼的形成；介绍了基于国 家标准的减振器台架性能测试的主要实验内容及减振器实验台的主要性能指标，并获得目 标减振器的速度特性和位移特性图。 ( 2 ) 第3 章，介绍a d i n a 流固耦合计算的理论基础，其中包括：插值函数、流固耦 合系统方程及求解等。采用该有限元软件建立复原阀流固耦合动力学模型，通过选取恰当 的步长、添加合适的边界条件、采用合理求解器等完成其参数的设定。求解完成后对叠加 阀片组的轴向变形、压力分布以及油液的流体特性等进行了分析。 ( 3 ) 第4 章，在第三章的基础上，建立减振器整体流固耦合有限元分析模型，对油 液的闭式速度特性及阀系的阻尼特性进行分析。用a d 玳a 非线性有限元软件建立减振器 油液三维流固耦合动力学模型。对减振器复原和压缩行程中油液速度特性进行研究，着重 分析了油液的压力分布及油液的整体流场特性。通过将节流阀两端的压力差转化为绝对压 力的方法获得减振器工作过程中压差和流量之间的关系，从而得到减振器速度阻尼特性， 通过与实验数据的对比验证了模型的正确性并对其进行了误差分析。 ( 4 ) 第5 章为全文的总结与展望。 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章介绍了论文的选题背景和项目来源，汽车减振器参数化建模研究现状和目的；介 绍了流固耦合理论发展现状及基于流固耦合理论的减振器建模研究。建立基于流固耦合的 减振器动力学模型将在第3 、4 章中论述。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章减振器的结构分析与测试 悬架减振器是汽车、铁路机车等交通工具的关键零部件，其阻尼特性对车辆行驶的平 顺性和安全性有重要影响【2 9 1 。减振器的作用原理是当车桥与车架做往复相对运动时，油液 通过阀系上的小孔流到减振器的另一工作腔，油液与孔壁的摩擦及油液分子的摩擦形成阻 尼力，从而将车身的振动转化为热能，通过减振器壳体散发到大气中。 2 1 减振器的结构分析 双筒液力减振器由于其机构相对简单、性能稳定等原因，在现在汽车上得到了广泛的 应用。图2 1 为本文的研究对象一前悬双筒液力减振器的内部结构图，主要由活塞杆、工 作缸、活塞、导向器( 培林) 、弹性元件、密封装置及储油缸等组成。活塞和底座总成大 致把工作腔分为复原腔、压缩腔和储油腔三部分。 l 橡胶套2 活塞杆总成3 外油管盖4 油封5 封口片6 油封弹簧7 培林8 防尘管 9 内油管1 0 外油管总成1 1 复原阀总成1 2 压缩阀总成 图2 1双筒液力减振器结构图模型 减振器复原阀系总成由活塞体、流通阀及复原阀等组成，其中位于活塞体下端的复原 阀是由四片形状不同的弹性阀片构成的，在小载荷的作用下，油液通过节流阀的常通孔进 入减振器的下腔室；流通阀由弹性阀片及一定刚度的弹簧组成，阀片上留有缺口与通流孔 共同组成阀系的常通孔。活塞体结构如图2 2 所示，活塞体上沿轴向不同半径均匀分布六、 八个两组通流孔，构成压缩行程、复原行程的常通道。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 ii 一 1 l 一 _ 1 r 一 十 t 一 广一 l 1 。一 一 _ 。，r ，j 图2 2 活塞体结构 图2 3 为减振器底阀总成，由补偿阀系、压缩阀系及弹簧座等组成。补偿阀为一轻灵 的单向阀，仅需很小的力就可以将其打开。当减振器下腔室出现压力真空时，补偿阀要能 及时开启，这样油液从储油腔进入下腔室，从而避免了减振器在高频载荷作用下的空行程 畸变。压缩阀的作用与复原阀类似，区别在于该处的压缩阀为滑阀结构，阀套外沿下端接 有一定刚度的弹簧，当压缩腔室内油液压力足够大时，油液流经由压缩阀套与补偿阀构成 的常通道将滑阀结构打开，起到卸荷的作用。 1 压缩阀芯2 补偿阀片3 压缩阀套4 小弹簧 5 压缩阀碗6 补偿弹簧7 弹簧座 图2 3 减振器底座总成 图2 - 4 、5 、6 、7 为分别为构成复原阀总成和底座总成相应阀的弹性阀片。 浙江工业大学硕士学位论文 层春 ) j 。 图2 4 流通阀片 图2 6 节流阀片 图2 5 复原阀片 厂、 t厂 、7 图2 7 补偿阀片 减振器主要设计参数：活塞杆直径d = 1 2 m m ，长度l = 2 5 0m m ，运动型式为往复运动； 最大工作频率厶= 1 0 h z ；最大滑动速度= 2 2 州s ，最大工作行程趾= 1 0 0 m m ；工作介 质为减振器油，油液温度：正常为6 0 ，最高1 0 0 。c ，最低一5 0 。c ；初始液体压力p = o 5 a ； 运动粘度为3 5 m m 2 s 。 2 2 减振器性能试验 2 2 1试验内容 减振器的性能通常用阻力一位移( f s ) 特性图( 示功图) 和减振器阻力一速度(