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车辆涉水过程中的流固耦合分析及优化（一）
2021-03-27 23:56:56· 来源：中汽中心空气动力学实验室
涉水法规和标准近年来随着电动车辆的普及，极大方便了人们的出行。但是伴随着日常使用，也暴露出电动车辆的一些不足，特别是在雨季频繁的南方。所以针对雨季积水
涉水法规和标准
近年来随着电动车辆的普及，极大方便了人们的出行。但是伴随着日常使用，也暴露出电动车辆的一些不足，特别是在雨季频繁的南方。所以针对雨季积水后的车辆涉水情况，各项法规和标准纷纷出台。
（https://www.sohu.com/a/107670415_133588）
2020年5月，《GB 18384-2020 电动汽车安全要求》强制性国家标准发布（以下统一称标准），并于2021年1月起开始实施。新标准重点强化了整车间接接触的绝缘防护要求和防水要求，以达到降低车辆在日常使用、涉水等工况下的安全风险，保障消费者用车安全。其中，标准中的防水要求是指电动车辆在经过常规内涝路段涉水或整车模拟洗车试验及涉水试验后，整车满足相应的安全防护等级要求。
车辆涉水模拟
（https://www.nio.cn/app-article-149）
除国标外，上海市地标和CEVE（中国新能源汽车评价规程）等也对电动车辆的涉水提出了要求，三者工况对比如下：
电动车辆涉水工况对比
车辆涉水过程中的流固耦合
车辆在按照标准进行涉水试验时经常会遇到一个问题，就是车辆在涉水后会出现底护板脱落的情况，这是一个典型的流固耦合问题。
车辆在以一定速度涉水过程中，除了入水和出水时与水流的相互作用外，还存在车辆自身姿态的变化，以及行进过程中因水快速流动产生的浪涌对车的作用。这些作用和变化同时存在，且都在随时间变化，并在变化中相互叠加，相互影响，最终呈现出车辆在涉水过程中的真实状态。
（https://drivingfast.net）
纵观整个涉水过程，可以通过仿真的手段对涉水池中水的流动状态和车的受力情况进行分析，并对此过程中车辆底护板的受力情况进行分析预测，判断失效情况。
以车辆涉水过程中底护板的单向流固耦合分析为例，车速30km/h，涉水池水深30mm，在此工况下涉水池中会产生很大的浪涌。
前底护板模型
从下面的动图可以看出，在涉水过程中前端底护板受到水流的强力冲击作用，向受力方向凹陷，随后又连续受到反方向的力，反向变形。
前底护板位移情况
在底护板受力过程中，以底护板中部一个螺栓固定点的情况为例，一方面该螺栓孔的孔径发生较大变化，螺栓紧固件存在失效风险；另一方面从应力云图中可以看到螺栓孔局部应力超过了材料极限，产生失效（是否失效取决于底护板的材料，不同的底护板材料，失效情况不同）。
底护板固定点结构应力变化过程
参考文献：
[1].Khapane, P., Ganeshwade, U., and Carvalho, K., "State of the Art Water Wading Simulation Method to Design Under-Body Components," SAE Technical Paper 2015-26-0188, 2015, doi:10.4271/2015-26-0188
[2].Makana, M., Kumar, G., and Regin, F., "Passenger Car Water Wading evaluation Using CFD Simulation," SAE Technical Paper 2016-28-0072, 2016, doi:10.4271/2016-28-0072.
近年来随着电动车辆的普及，极大方便了人们的出行。但是伴随着日常使用，也暴露出电动车辆的一些不足，特别是在雨季频繁的南方。所以针对雨季积水后的车辆涉水情况，各项法规和标准纷纷出台。
（https://www.sohu.com/a/107670415_133588）
2020年5月，《GB 18384-2020 电动汽车安全要求》强制性国家标准发布（以下统一称标准），并于2021年1月起开始实施。新标准重点强化了整车间接接触的绝缘防护要求和防水要求，以达到降低车辆在日常使用、涉水等工况下的安全风险，保障消费者用车安全。其中，标准中的防水要求是指电动车辆在经过常规内涝路段涉水或整车模拟洗车试验及涉水试验后，整车满足相应的安全防护等级要求。
车辆涉水模拟
（https://www.nio.cn/app-article-149）
除国标外，上海市地标和CEVE（中国新能源汽车评价规程）等也对电动车辆的涉水提出了要求，三者工况对比如下：
电动车辆涉水工况对比
车辆涉水过程中的流固耦合
车辆在按照标准进行涉水试验时经常会遇到一个问题，就是车辆在涉水后会出现底护板脱落的情况，这是一个典型的流固耦合问题。
车辆在以一定速度涉水过程中，除了入水和出水时与水流的相互作用外，还存在车辆自身姿态的变化，以及行进过程中因水快速流动产生的浪涌对车的作用。这些作用和变化同时存在，且都在随时间变化，并在变化中相互叠加，相互影响，最终呈现出车辆在涉水过程中的真实状态。
（https://drivingfast.net）
纵观整个涉水过程，可以通过仿真的手段对涉水池中水的流动状态和车的受力情况进行分析，并对此过程中车辆底护板的受力情况进行分析预测，判断失效情况。
以车辆涉水过程中底护板的单向流固耦合分析为例，车速30km/h，涉水池水深30mm，在此工况下涉水池中会产生很大的浪涌。
前底护板模型
从下面的动图可以看出，在涉水过程中前端底护板受到水流的强力冲击作用，向受力方向凹陷，随后又连续受到反方向的力，反向变形。
前底护板位移情况
在底护板受力过程中，以底护板中部一个螺栓固定点的情况为例，一方面该螺栓孔的孔径发生较大变化，螺栓紧固件存在失效风险；另一方面从应力云图中可以看到螺栓孔局部应力超过了材料极限，产生失效（是否失效取决于底护板的材料，不同的底护板材料，失效情况不同）。
底护板固定点结构应力变化过程
参考文献：
[1].Khapane, P., Ganeshwade, U., and Carvalho, K., "State of the Art Water Wading Simulation Method to Design Under-Body Components," SAE Technical Paper 2015-26-0188, 2015, doi:10.4271/2015-26-0188
[2].Makana, M., Kumar, G., and Regin, F., "Passenger Car Water Wading evaluation Using CFD Simulation," SAE Technical Paper 2016-28-0072, 2016, doi:10.4271/2016-28-0072.
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