基于动网格模型的座椅碰撞模拟试验台弹射装置动力学研究

2018-04-25 02:02上海电科电机科技有限公司李怀珍

智能制造 2018年12期

上海电科电机科技有限公司李怀珍

一、前言

座椅碰撞模拟试验台是用来将装有试验座椅的滑车加速到碰撞前速度（40 ～60km/h）并使之发生有效碰撞的装置。加速动力系统是碰撞试验台的核心部分，也是设计试验台的关键技术，目前采用的加速装置有橡皮绳拉伸弹射、液压蓄能弹射和机械储能方式。

气压传动是以压缩空气为介质驱动和控制各种机械设备以实现生产过程机械化和自动化的一种技术，是一种低成本的自动化技术，受至工业界的欢迎，其发展呈现急剧上升的趋势。然而由于气压传动定位精度较差、速度不易控制等原因，在碰撞试验台设备上一直未见采用气压蓄能弹射加速动力系统。

在研制头枕冲击试验机的过程中，我们首次采用气压蓄能方式完成了试验机的加速弹射过程。期间，巧妙解决了气压传动定位和稳速问题，积累了一定的经验。因而，在设计研制座椅碰撞模拟试验台时，我们也采用气压蓄能弹射完成滑车的加速弹射过程，设计了如图1 所示的碰撞模拟试验台弹射装置。

图1 碰撞试验台弹射装置

二、理论基础

1、流体流动的控制方程

非稳态N-S 方程组如下：连续方程：

动量方程：

能量方程：

式中：ijτ为应力张量；qj为热通量向量；H为总焓，即：

上述方程组未知量的数目多于方程的个数，显然方程组不封闭，必须配合其他方程才能使方程组封闭，进行求解，下面介绍湍流模型中需要的方程。

2、湍流模型方程

弹射内弹道流场处于高湍流状态，RNGk-ε在壁面附近采用标准壁面函数法计算收敛较快、易收敛，且与广泛采用的标准k-ε模型比较，RNGk-ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。因此，最终确定湍流模型为RNGk-ε模型，在壁面附近采用标准壁面函数法。

RNGk-ε湍流方程：

式中，kG是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项；bG是由于浮力引起的湍动能k 的产生项；MY代表可压湍流中，过度的扩散产生的波动；1C ε，C2ε，C3ε是常量；kα，εα是k 方程和ε方程的Prandtl 数；Sk和Sε是用户自定义源项。

3、动网格更新方法

由于弹射活塞在弹射缸内处于运动状态，导致弹射缸内的计算区域也发生变化，动网格技术就是为了适应计算区域的变化新发展出来的网格技术。它在每一个时间步迭代之前，根据边界或物体的运动、变形更新和重新构建计算域的网格，从而达到计算各种非定常的流固耦合、计算域随时间变形变化的问题，主要是通过拉伸，压缩网格或者增加、减少网格以及局部生成网格来适应计算区域的改变。动网格重新构建的计算方法有3 种，即弹性广顺法(spring-base smoothing)、动态层技术(dynamic layering)和局部网格重划法(local remeshing)。

弹性广顺法是将网格系统看做是由节点之间用弹簧相互链接的网络系统，初始网格就是系统保持平衡的弹簧网格系统。任意一个网格节点的位移都会导致与之相连的弹簧中产生弹性力，进而导致网格节点上的力的平衡被打破。由此波及出去，经过反复迭代，最终整个弹簧网格系统达到新的平衡时，就可以得到一个变形后的、新的网格系统。

动态层技术是根据边界的移动量动态地增加或减少边界上网格层的技术。如图2 所示，根据与运动边界相邻的第j层网格的高度（h）可以决定是将该曾网格分割还是将其与第i层合并。在应用过程中定义一个理想高度，当网格被拉伸或压缩的距离超过该高度的α倍时，增加或者合并网格，α对拉伸和压缩网格时分别称为切割因子和消亡因子。

图2 动网格技术示意图

局部网格重划法是对弹性光顺法的补充，其基本思路去掉原来网格系统中经过弹性光顺后得到的歧变网格，在被去掉网格的位置上重新划分新的网格。

比较以上三种网格更新方法，弹性光顺法不适用于大变形情况，当计算区域变形较大时，变形后的网格会产生较大的倾斜变形，使网格质量变差，影响计算精度；动态分层法在生成网格方面具有快速的优势，但是它要求运动边界附近的网格为六面体或楔形，不适于复杂外形的流场区域；局部网格重划法只会对运动边界附近区域的网格起作用，要求网格为三角形（二维）或四面体（三维）。