汽車油箱晃動分析 Sloshing analysis of a fuel tank

案例研究：利用多物理場簡化各種不同模擬案例的邊界條件

 

複雜的邊界條件 其實可以很直觀

在面對複雜系統時，設定正確的邊界條件和載重往往是一大挑戰。這裡我們以油箱內部燃油晃動的情況為例，來模擬它的應力和變形。

其實光是要準確模擬燃油晃動對油箱造成的壓力載重和邊界條件，這個設定就可能變成一個獨立的工程項目。而且產品在公司內部通常還會經歷多種不同的模擬評估，每一種都需要各自對應的邊界條件和載重，久而久之，整體模型就變得非常龐大又複雜。

其實，有更簡單的方法可以處理像這種燃油晃動等複雜邊界條件，那就是善用 LS-DYNA 的多物理場模擬功能。
在這個案例中，你可以看到，透過導入進階物理行為，不但可以讓整體模擬流程變得更直觀、更容易上手，也能減少複雜度，幫助團隊節省不少時間。

 

用模擬加速產品開發真的更有效

在產品開發過程中，用模擬取代大量實體打樣，不只省錢，也更彈性。像是要改牆厚、調整尺寸，甚至加強結構，只要在模擬中改一改就好，快速又方便。

不過，傳統上工程師在進行模擬時，還是得先設定好邊界條件，也就是要告訴電腦這個零件會受到什麼樣的外力。在像油箱這類應用中，常見做法是拿類似產品的實驗數據，比如最大內部壓力，來當作載重來源。這種方法在改動不大的情況下還行，但如果你設計上有明顯改變，例如在油箱中間加一個擋板，那整個結構和裡面的液體動態都會變，原本的測試數據就不再準確。

這時，其實有更直覺的做法：直接在模擬中考慮流體和結構的交互作用（FSI），然後用「整台車的加速度」來作為統一的載重條件。這樣做有幾個好處：

• 車輛加速度（例如急煞時的重力加速度）不太會受油箱設計變化影響

• 這類資料通常可以從現有產品測試中取得，或是用模擬跑出來

• 很多公司內部本來就有這些數據，不用再額外測

接下來我們展示的模擬，是使用 LS-DYNA 跑出來的，模型中用非線性有限元素分析模擬油箱結構，並搭配 SPH（光滑粒子流體力學） 技術來模擬燃油。燃油在模擬中是由一顆顆粒子組成，會和油箱壁面完全接觸並產生流固耦合（FSI）效應。

載重則是設定車輛急煞時的重力與加速度，從模擬結果可以明顯看到，加了擋板之後，燃油的動態行為產生了很大變化，進而也影響了油箱內部的壓力分布。

 

從油箱的應力分布來看，可以很清楚地發現，動態行為的改變對油箱結構強度有多大的影響。我們只改了油箱的設計，其他像邊界條件完全不用重新設定，就能跑兩種設計版本的模擬。這樣一來，就能快速測試新想法，也更方便做持續性的產品優化。

 

系統層級的整合應用

這種模擬方式還有一個很大的好處，就是其他部門也能拿同一個模型來做系統層級的評估。舉例來說，油箱可以直接放進車輛的撞擊模擬裡，幫助我們更了解它在碰撞情況下的表現。

這不只讓模擬結果更貼近真實，也能提升整體系統模擬的準確性，因為模型的動態反應會更真實。下面這張圖，就是一個柱撞模擬，測試的是油箱本身的結構強度，還有它的固定支架能不能撐得住。

 

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The car used in this demonstration is a modified version of the publicly available Honda Accord model, provided by NHTSA, https://www.nhtsa.gov/crash-simulation-vehicle-models.

資料來源： Ansys LST 原廠