基于Ansys的液-固-气多物理场耦合分析：越野车油气分离液压悬架阻尼特性研究

《IEEE Access》：Liquid–solid–gas multi-physics coupling analysis of hydraulic suspension characteristics for off-road vehicles

为解决传统油气悬架模型难以准确反映液、固、气三相间复杂耦合作用的问题，研究人员开展了基于Ansys的液-固-气多物理场耦合仿真分析。该研究建立了油气分离液压悬架的三相双向耦合模型，通过压力基耦合求解器完成了仿真分析，成功获取了悬架的阻尼特性。结果表明，该方法能有效捕捉从气体压缩到活塞运动再到油液节流的物理过程，显著提高了非线性阻尼力计算的准确性，为悬架性能优化提供了更精确的理论依据。

　　

在追求极致驾乘体验的今天，车辆的悬架系统扮演着至关重要的角色。它如同车辆的“双腿”，不仅要支撑起庞大的车身，更要过滤掉路面的颠簸，为乘客带来平稳舒适的乘坐感受。对于经常在恶劣路况下行驶的越野车、矿用自卸车等商用车辆而言，悬架系统的性能更是直接关系到车辆的操控稳定性和驾驶员的作业环境。在这些车辆上，油气分离液压悬架因其结构紧凑、承载能力强、非线性特性好等优点，得到了广泛应用。

然而，要设计出性能优异的液压悬架，一个核心前提是必须精确掌握其内部的阻尼特性。传统的数学建模方法虽然简单快捷，但往往难以全面考虑悬架内部复杂的物理过程。例如，当车辆经过颠簸路面时，悬架内部的油液、气体和活塞之间会发生复杂的相互作用：油液在阻尼孔中高速流动产生节流效应，气体在密闭腔室内被压缩，活塞在油压和气压的共同作用下往复运动。这些液、固、气三相之间的相互影响和制约，共同决定了悬架最终的阻尼力输出。传统的液-固或气-液两相耦合模型，往往忽略了其中某一相的作用，或者仅考虑单向的力传递，导致计算出的阻尼特性与实际情况存在偏差，无法准确反映悬架的非线性特性。

为了攻克这一难题，沈阳理工大学的陈爽教授团队在《IEEE Access》上发表了一项创新性研究。他们提出了一种基于Ansys软件的液-固-气多物理场耦合仿真分析方法，旨在更精确地揭示油气分离液压悬架内部的复杂物理过程，从而获取更准确的悬架阻尼特性。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项系统性的仿真研究。他们首先建立了一个简化的油气分离液压悬架三维几何模型，并利用Ansys软件提取了内部的流体区域（油液和气体）和固体区域（浮动活塞）。随后，他们采用结构化网格划分技术，对模型进行了高质量的网格划分，并设置了液、固、气三相的边界条件。最关键的一步是，他们建立了一个液-固-气三相双向耦合求解器，通过系统耦合器实现了流体域和固体域之间的双向数据传递。在求解过程中，他们选择了压力基耦合求解器，并采用动态网格技术来模拟活塞运动引起的流场变化。最终，通过仿真计算，他们获得了悬架在压缩和拉伸行程中的流场分布，并据此求解出了悬架的阻尼特性。为了验证方法的有效性，他们将仿真结果与传统的数学计算模型进行了对比，并进一步分析了油液黏温特性对悬架阻尼特性的影响。

液-固-气三相双向耦合分析模型的建立

研究人员首先建立了一个简化的油气分离液压悬架三维几何模型。该模型保留了与阻尼特性直接相关的核心部件，如缸筒、活塞杆、阻尼孔、单向阀和浮动活塞等，同时省略了对外壁金属凸起等非功能性结构，为后续的耦合仿真分析奠定了基础。模型的基本参数包括缸筒内径、活塞杆直径、阻尼孔尺寸以及初始气体压力等。

基于Ansys的耦合求解方法设置

在Ansys软件中，研究人员对液、固、气三相分别进行了边界条件和求解器算法的设置。对于流体域（油液和气体），他们选择了压力基求解器，并采用Realizable k-ε湍流模型来模拟油液在阻尼孔和单向阀处的射流和涡流现象。同时，他们结合弹簧光顺和网格重构方法，利用动态网格技术来模拟活塞运动引起的流场变化。对于固体域（浮动活塞），他们在瞬态结构模块中设置了材料属性、远程位移以及液-固、气-固耦合面。最终，通过系统耦合器，他们建立了流体域和固体域之间的双向数据传递路径，实现了液-固-气三相的双向耦合求解。

耦合仿真分析结果与阻尼特性求解

通过液-固-气三相双向耦合仿真分析，研究人员获得了悬架在压缩和拉伸行程中的流场分布。在压缩行程中，油液从无杆腔经阻尼孔和单向阀流入有杆腔，由于节流效应，油液流速在阻尼孔处急剧增加，无杆腔的压力最高，且随着压缩速度的增加，无杆腔与有杆腔之间的压差逐渐增大。在拉伸行程中，单向阀关闭，油液仅通过阻尼孔从有杆腔流入无杆腔，有杆腔的压力最高，且压差随拉伸速度的增加而增大。根据仿真得到的压力分布，研究人员计算出了悬架的阻尼力，并拟合出了阻尼力与活塞运动速度之间的关系曲线。

阻尼特性验证与油液黏温特性影响分析

为了验证仿真结果的准确性，研究人员将拟合出的阻尼特性曲线与基于传统数学模型的阻尼力计算结果进行了对比。结果表明，两种方法得到的阻尼特性趋势基本一致，压缩行程的阻尼力均方根值误差仅为2%，验证了该耦合仿真方法的有效性。此外，研究人员还分析了油液黏温特性对悬架阻尼特性的影响。他们发现，在低温环境下，油液黏度增大，导致阻尼力随速度增加而急剧上升；而在高温环境下，油液黏度降低，阻尼力的增长受到抑制。这说明温度是影响悬架阻尼特性的重要因素。

陈爽教授团队的研究成功建立了一种基于Ansys的液-固-气多物理场耦合仿真分析方法，并将其应用于油气分离液压悬架的阻尼特性研究中。该研究的主要结论和重要意义体现在以下几个方面：

首先，该方法能够精确捕捉从气体压缩到活塞运动再到油液节流的完整物理过程，有效避免了传统模型在计算非线性阻尼力时可能出现的失真问题。通过建立液-固-气三相双向耦合模型，该研究实现了流体域和固体域之间的双向数据传递，充分考虑了活塞运动对气体腔室体积和油液流场的直接影响，从而显著提高了阻尼力计算的准确性。

其次，该研究通过对比仿真结果与数学模型计算结果，验证了该方法的有效性。虽然计算效率相比单向耦合模型有所下降，但其在计算精度上的优势是显著的。该方法能够更真实地反映悬架内部的复杂流动现象，为悬架性能的精确分析和优化提供了强有力的工具。

最后，该研究还深入分析了油液黏温特性对悬架阻尼特性的影响。研究结果表明，温度是影响悬架性能的关键因素之一，在低温环境下，悬架的阻尼力会显著增大。这一发现对于指导车辆在极端环境下的使用和悬架系统的设计优化具有重要的参考价值。

综上所述，这项研究不仅为油气分离液压悬架的阻尼特性分析提供了一种高精度的仿真方法，也为未来半主动或主动液压悬架的研究奠定了坚实的理论基础。通过引入电物理等更多物理场，该方法有望进一步扩展，以解决更复杂的多物理场耦合问题，为车辆悬架技术的发展注入新的活力。