（动力机械及工程专业论文）液力减振器流固耦合仿真与结构异响分析.pdf

fsi simulation and abnormal structure noise analysis of hydraulic shock absorber a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by he liange supervised by prof. shu hongyu major：power machinery and engineering college of mechanical engineering of chongqing university, chongqing, china may 2011 中文摘要 i 摘 要 减振器作为车辆悬架系统不可或缺的阻尼元件，其动力学特性对车辆的舒适 性、操纵稳定性、平顺性等具有很大影响。近年来，汽车上一些主要噪声源得到 较好控制后，液力减振器的异响被相对地暴露出来，这种异响降低了汽车的品感、 影响了汽车的销售。最新研究表明减振器活塞与油液间的间隙碰撞、活塞与缸筒 的静动摩擦力交变和节流阀片与油液的相互作用均导致对汽车液力减振器活塞组 件的冲击，其进一步的传递将产生减振器结构异响。然而液力减振器节流阀片与 减振器油液之间的微观、高频的流固耦合作用机理非常复杂，这种流固耦合作用 对阀片的振动、变形和应力分布有重要影响，决定着节流阀片的疲劳强度，最终 决定着减振器的阻尼特性、结构异响和使用寿命。 实际减振器节流阀片通常是由多片相同厚度的阀片叠合起来的，以此来保证 减振器阻尼特性和降低减振器可能产生的结构异响。针对以上优点，研究不同厚 度节流阀片的振动特性和应力分布对减振器阻尼特性及结构异响的影响，进而提 高减振器的品质和使用寿命具有很大的工程价值。 为深入分析液力减振器节流阀片与减振液间内部相互作用的机理对减振器阻 尼特性和结构异响的影响，本文以单个节流阀片（以下简称减振器 a）和叠合节 流阀片（以下简称减振器 b）两款减振器为研究对象，采用 ansys cfx 软件的动 网格流固耦合技术，在正弦油液进口速度载荷条件下，对单片和叠合两种不同结 构节流阀片减振器的减振液高速流动及阀片动力学特性进行了仿真分析，得到了 阀片的振动加速度曲线、应力应变分布及减振液的流场分布，通过对比两种不同 结构节流阀片的振动加速度曲线及减振液流场分布，结果表明叠合节流阀片具有 较小的振动加速度幅值，因而能降低减振器结构异响。对比阀片应力应变分布， 得出了叠加节流阀片具有较好的强度，进一步地通过减振器噪声台架试验，验证 了仿真结果的正确性。以上分析表明基于动网格技术的单向流固耦合分析方法能 够较好的实现节流阀片与减振液间的微观、高频流固耦合分析计算。 本文首先以三维实体建模软件 pro/e wildfire3.0 并结合 ansys 自带的三维建 模模块designmodeler建立了节流阀阀片和油液的几何模型， 其次提出了以ansys workbench 为分析平台，采用 ansys cfx 动网格技术，先对流体部分进行瞬态动 力学计算， 再将得到的流场特性分析结果， 在 simulation 模块里以“体载荷”即 cfx pressure 的形式施加到固体模型上进行瞬态结构动力学仿真， 得到固体模型的动力 学特性，以此完成流固耦合分析，即单向流固耦合分析。 最后，为证明此种方法的可行性，本文进一步对同类问题的简单模型，同时 重庆大学硕士学位论文 ii 采用双向流固耦合分析方法和基于动网格技术的单向流固耦合分析方法进行对比 分析研究，仿真结果在可接受的误差范围之内，说明了采用单向流固耦合分析方 法的可行性，并将仿真结果与经验公式计算结果进行比较，说明了仿真方法的真 确性。 关键字关键字：液力减振器，节流阀片，有限元方法，动网格，流固耦合 英文摘要 iii abstract shock absorber, as an indispensable damping elements of vehicle suspension system, its dynamic characteristics has a great compact on vehicle comfort performance, handling directional stability and ride performance. in recent years, the main noise sources of vehicle have been better controled, the hydraulic shock absorber of the abnormal noise is relatively exposed, this abnormal sound reducing the vehicle quality and affecting sales. new research shows that indicate that the clearance impact of the piston and the fluid of shock absorber, the alternation of static friction and moving friction and the interaction process between hydraulic shock absorber throttle slice and shock absorber liquid all result in impact to the piston. then the transference of impact yield abnormal structure noise. they indicate that the clearance impact of the piston and the fluid of shock absorber, the alternation of static friction and moving friction and the adherence between valve and piston all result in impact to the piston. then the transference of impact yield abnormal structure noise. however the microcosmic high frequency fluid structure interaction process mechanism between hydraulic shock absorber throttle slice and shock absorber liquid is very complicated, which has important effect on the vibration of the valve, the deformation and stress distribution and also determines the fatigue strength of throttle slice, and ultimately determines the shock absorber damping characteristics, the occurrence of abnormal noise and life. actual hydraulic shock absorber throttle slice is usually constituted by the same thickness of multi-piece valve superposition together in order to ensure the shock absorber damping characteristics and reduce the possible occurrence structure of abnormal noise. for these advantages, research of the vibration characteristics of different throttle slice thickness and stress distribution on the shock absorber damping characteristics and structure of abnormal noise effects, and to improve the quality and life of shock absorber have great engineering value. to further analyze the interaction process mechanism between hydraulic shock absorber throttle slice and shock absorber liquid to the shock absorber damping characteristics and the abnormal structure noise effects, in this paper, adopt a single throttle slice (hereinafter referred to as shock absorbers a) and superposition throttle slices (hereinafter referred to as shock absorber b)of two kinds shock absorbers for research, using the dynamic mesh fluid-structure interaction technology of ansys 重庆大学硕士学位论文 iv cfx software, two kinds shock absorbers throttle slices dynamic characteristics and shock absorber liquid high flow is simulated analysis under sinusoidal inlet velocity loads conditions. the valve vibration acceleration curve, the stress and strain distribution and shock absorber liquid flow field characteristics has been obtained.by comparing the vibration acceleration curve and shock absorber liquid flow field characteristics distribution of two different structures throttle slices of shock absorber, the results show that the superposition throttle slices has a smaller vibration acceleration amplitude, which can reduce the shock absorber structure of abnormal noise. comparison the stress and strain distribution of throttle slices, obtained that that the superposition throttle slices has a better intensity, and further through the shock absorber noise bench test to verify the correctness of the simulation results. the above analysis shows that based on dynamic mesh technique of one-way fluid structure interaction analysis method can better achieve the microcosmic high frequency fluid structure interaction process between hydraulic shock absorber throttle slice and shock absorber liquid analysis and calculations. this article first establish the geometry model of the throttle slices of shock absorber and shock absorber liquid with the 3d solid modeling software pro/e wildfire3.0 and ansys 3d solid modeling module designmodeler. secondly, proposes a method which takes ansys workbench as a platform, adopt the dynamic mesh technique of ansys cfx to calculate the transient fluid dynamics of flow field, and then get the flow field characteristics analysis result to exert in the structure model by“the body load”that is in the form of cfx pressure for transient structural dynamics simulation in simulation module, finally obtained the dynamics characteristics of solid models, which form completing the fluid-structure interaction analysis that is to say one-way fluid structure interaction analysis. finally, to prove the feasibility of this method, this paper comparative analysis research of a simple model of similar problems which adopted two-way fluid structure interaction analysis method and based on dynamic mesh technique of one-way fluid structure interaction analysis method, the simulation results within an acceptable error range, which shows that based on dynamic mesh technique of one-way fluid structure interaction analysis method is feasible, at the same time compared the simulation results with the empirical formula results, indicating the correctness of simulation methods. keywords：hydraulic shock absorber, throttle slice, fea, dynamic mesh technique, fsi 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪论绪论 . 1 1.1 高品质减振器的高品质减振器的研究背景及意义研究背景及意义 . 1 1.1.1 研究的背景 . 1 1.1.2 研究的意义 . 3 1.2 减振器节流阀片流固耦合的研究现状和发展方向减振器节流阀片流固耦合的研究现状和发展方向 . 4 1.2.1 节流阀片的功能和结构 . 4 1.2.2 车辆减振器噪声的国内外研究现状 . 5 1.2.3 车辆液力减振器节流阀片流固耦合建模仿真国内外研究现状 . 8 1.3 流固耦合的研究现状流固耦合的研究现状 . 10 1.3.1 流固耦合力学定义及特点 . 10 1.3.2 流固耦合的新进展 . 11 1.3.3 流固耦合在工程中的应用 . 11 1.3.4 流固耦合的计算方法 . 11 1.4 本文研究的主要内容和方法本文研究的主要内容和方法 . 12 2 减振器油液的流体力学特性及流固耦合的基本理论减振器油液的流体力学特性及流固耦合的基本理论 . 15 2.1 油液及其物理性质油液及其物理性质 . 15 2.1.1 流体的定义和特征 . 15 2.1.2 流体连续介质假设 . 15 2.1.3 流体的主要物理性质 . 15 2.1.4 理想流体的假设 . 17 2.2 油液的流体动力学方程油液的流体动力学方程 . 18 2.2.1 流体连续性方程 . 18 2.2.2 流体动量方程 . 19 2.2.3 流体能量方程 . 20 2.4 计算流体动力学计算流体动力学 . 21 2.4.1 什么是计算流体动力学 . 21 2.4.2 计算流体动力学的特点 . 22 2.4.3 计算流体动力学的应用领域 . 23 2.4.4 计算流体动力学的分支 . 23 重庆大学硕士学位论文 vi 2.5 液力减振器流固耦合计算的基本理论液力减振器流固耦合计算的基本理论 . 24 2.5.1 流固耦合问题的分类 . 24 2.5.2 液力减振器流固耦合仿真计算技术路线 . 26 2.5.3 流固耦合界面相互作用的描述方法 . 27 2.5.4 流固耦合系统的边界条件 . 28 2.5.5 流固耦合系统的有限元控制方程 . 30 2.6 本章小结本章小结 . 32 3 液力液力减振器减振器实体建模及有限元模型分析实体建模及有限元模型分析 . 33 3.1 实体建模过程实体建模过程 . 33 3.1.1 节流阀组件实体模型的建立 . 33 3.1.2 油液几何模型的生成 . 36 3.2 有限元模型及其分析有限元模型及其分析 . 37 3.2.1 节流阀阀片的有限元模型及分析 . 37 3.2.2 液体的有限元模型及分析 . 39 3.3 本章小结本章小结 . 41 4 液力液力减振器油液的数值模拟减振器油液的数值模拟与分析与分析 . 43 4.1 ansys cfx 软件及其动网格技术软件及其动网格技术 . 43 4.1.1 ansys cfx 软件 . 43 4.1.2 动网格技术 . 44 4.2 油液流体模型设油液流体模型设置及仿真结果分析置及仿真结果分析 . 48 4.2.1 物理定义 . 49 4.2.2 cfx 结果分析 . 51 4.3 本章小结本章小结 . 54 5 节流阀片流固耦合分析节流阀片流固耦合分析 . 55 5.1 简单计算模型的建立及结果分析简单计算模型的建立及结果分析 . 57 5.1.1 简单模型的有限元建模及前处理设置 . 57 5.1.2 仿真结果对比 . 61 5.2 节流阀片仿真过程关键部件的处理节流阀片仿真过程关键部件的处理 . 62 5.3 节流阀片流固耦合模型的建立节流阀片流固耦合模型的建立 . 63 5.4 流固耦合计算结果处理与分析流固耦合计算结果处理与分析 . 66 5.5 本章小结本章小结 . 69 6 结论与展望结论与展望 . 71 6.1 主要结论主要结论 . 71 6.2 后继研究工作的展望后继研究工作的展望 . 71 目 录 vii 致致 谢谢 . 73 参考文献参考文献 . 75 附附 录录 . 79 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 79 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪论 1 1 绪论 1.1 高品质减振器的研究背景及意义 1.1.1 研究的背景 自十九世纪第一辆汽车诞生以来，汽车工业经历了100多年的发展历程，由于 科学技术的不断发展，使汽车的各项性能有了很大的提高，现代汽车己经成为国 民经济和人民大众社会生活中不可缺少的一种运输工具，并且汽车工业的规模及 其产品质量已经成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。 我国汽车工业经过近半个世纪的发展，取得了令人瞩目的成绩，特别是改革 开放以来，汽车工业获得了迅速发展。近年来，同时随着人们物质生活水平的提 高，对汽车的综合性能提出了更高的要求，不仅要求汽车具有较高的可靠性、操 纵性、稳定性、安全性，而且要求汽车（特别是轿车）必需具有良好的乘用舒适 性，这就对汽车的综合性能，特别是对汽车的悬架系统提出了更高的要求。 减振器作为车辆悬架系统的一个重要零部件，对于车辆的乘用舒适性、操纵 性、稳定性及安全性都起着非常重要的作用。目前汽车上多采用双筒液力减振器， 这种减振器结构简单，应用性较好，但存在早期失效问题包括结构异响等。 随着我国汽车工业的不断发展，人们对汽车的舒适性和安全性的要求也越来 越高，而减振器作为悬架系统的主要部件，其质量不仅影响车辆的乘坐舒适性， 而且可以通过减振器降低整车和其零部件的振动而提高车辆的使用可靠性和品 质，因此车辆减振器的减振效果和品质控制非常重要。现代车辆中广泛使用的液 压减振器的结构决定了它在实际的伸张压缩循环工作过程中，内部会产生冲击振 动，进而产生噪声。较为严重的振动和噪声将影响减振器性能的发挥，有时甚至 人耳都能明显听到这种噪声，常称为减振器异响，这种异响严重影响汽车的品感 和乘座舒适性。车辆减振器噪声一直是从事车辆减振器生产的企业和整车厂很关 心的品质问题，一方面噪声表征着减振器在零部件质量及装配、加工精度等方面 存在着某种问题和故障，这将影响减振器性能的发挥和使用寿命；另一方面减振 器噪声是一种厌烦的噪声，严重地影响所装车辆的品感，特别是随着现代汽车噪 声水平的降低和汽车品质的提高，减振器噪声相对于车辆其它部位的噪声已经不 是可以忽略的噪声，影响到了车辆的乘坐舒适性。目前，在国内各大减振器厂中， 减振器噪声是一个普遍、突出的品质问题，减振器噪声引起的不良品占有相当高 的比率，据统计，我国目前仅汽车减振器每年由于噪声而造成的不良品数量就高 达 20 万支，直接经济损失超过 4000 万元人民币，严重影响了减振器质量水平的 提升，也是整车客户厂家投诉的重要问题之一。 重庆大学硕士学位论文 2 汽车液力减振器噪声问题之所以越来越受到人们的关注，一方面是由于汽车 上一些主要噪声源得到较好控制后，液力减振器的噪声被相对地暴露出来，这种 噪声降低了汽车的品感、影响了汽车的销售，首先受到生产企业的重视；另一方 面，作为降低汽车整车振动的主要功能部件本身内部存在着复杂的振动而引起异 常噪声，且其发生机理还没有很好的理论解释和较为有效的控制方法，这是一个 很值得研究的问题1。 最新研究表明，液力减振器自身内部存在着复杂的振动而产生异响，其中减 振器节流阀片与减振液间的微观、高频的流固耦合作用是产生减振器阀片高频振 动的主要原因，阀片的振动又会影响减振器活塞和活塞杆的振动，进而形成减振 器的结构异响。因此，液力减振器节流阀片是影响减振器异响产生的关键零件2。 液压减振器是汽车被动悬架系统中的主要阻尼元件，其作用是将车轮和车身 间的相对振动通过减振器的阻尼衰减掉。当车辆行驶中，由于地面干扰引起的冲 击或振动通过车轮传递到减振器，具有良好匹配的减振器，通常在第一个振动周 期后，就有 90以上的振动能量被衰减掉。即车身的自由振动会被迅速衰减，车 身的强迫振动也会受到抑制。减振器在安全方面的功能主要是抑制车轮振动和降 低车轮动载，从而确保车辆和成员安全，使车辆充分发挥其动力性能，提高其稳 定性和舒适性。 减振器节流阀片的结构形状和减振器油液的特性不同，对减振器内部油液的 流场分布状况影响很大，对减振器的使用寿命和品质也都会产生一定的影响，并 且会导致减振器内油液某些区域出现汽化和气穴现象，这不但会使减振器阻尼特 性出现迟滞3，而且会产生冲击和噪声4。目前，从理论上研究减振器的建模方法 主要分为物理参数化模型、等效物理参数模型和非参数化模型三种5，所有的这些 模型在建模过程中，都对减振器的实际结构作了较大的简化，所建立的模型大多 利用实验测试结果来获得部分或全部模型参数，因此很难在设计阶段预测减振器 的工作特性和品质。同时，相关参数，如节流阀的阀片变形量、流量系数和节流 指数等关键参数难以准确得到，这些都必然导致模型的误差。然而采用有限元分 析和流固耦合动力学等方法能够有效提高模型精度并减少对实验测试的依赖程 度。有限元法是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，具有很好的流 固耦合理论，且流固耦合数值求解方法也取得了很多的成果，具有较高的通用性 和有效性，受到工程技术界的高度重视6。同时流固耦合问题也是目前广为关注和 具有挑战性的课题之一，涉及多个领域和多方面的技术。近年来，出现了一批如 ansys、adina 和 abaqus 等优秀的大型商业有限元软件，伴随着计算机计性 能的大幅提升和这些分析软件的升级，使得建立液力减振器节流阀片有限元流固 耦合仿真计算分析成为现实，计算速度也有很大提高7。 1 绪论 3 1.1.2 研究的意义 近年来，汽车上一些主要噪声源得到较好控制后，液力减振器的异响被相对 地暴露出来，这种异响严重的降低了汽车的品感、影响了汽车的销售，其中，由 悬架液力减振器引发的异常噪声问题尤其突出。目前国产减振器中因噪声问题而 被退货的高居退货总量的 5060%，减振器噪声问题受到生产企业的高度重视。 同时，减振器作为降低汽车整车振动的主要功能部件，自身内部存在着复杂的振 动而产生噪声，且其发生机理还没有很好的理论解释和较为有效的控制方法，因 而也受到学术界的关注。 对减振器噪声问题进行研究，首先要分析噪声的声源位置和时频特征，为此， 就必须通过大量试验进行验证分析。根据现有试验条件，对减振器噪声的测试试 验主要分为室内台架试验和实车道路试验。试验的目的是为了找出减振器噪声信 号的特征，正确定位噪声源，并且对噪声信号进行初步分析，总结噪声的特征和 出现规律。国内外各种研究表明：减振器噪声是由于减振器在伸张压缩循环工作 过程中，减振器内部油液与减振器活塞之间循环交替冲击，从而产生活塞杆的振 动引起的，因而通过检测减振器活塞杆头的振动加速度幅值的大小就能检测出减 振器噪声，进而完成定量评价2。所以，减振器噪声试验主要是测试减振器活塞杆 头加速度振动信号。但是，仅测量减振器的噪声对减振器的品质改善只能起到一 定的定量评价效果，在减振器设计过程中，如果能够在设计的初始阶段就发现异 响，并在设计初始阶段对减振器的某些零部件进行优化，将有助于提高减振器开 发周期，减低异响，提高品质和国际竞争力。有限元流固耦合仿真分析方法可以 做到在设计初始阶段发现异响，所以研究减振器节流阀片的流固耦合特性显得尤 为重要和具有一定的工程价值。 汽车液力减振器异响可以分为摩擦异响、气流异响、液流异响和结构异响