基于ABAQUS的燃油箱系統(tǒng)內(nèi)壓變形模擬研究

李志敏，陳學(xué)宏，王帥，谷昌甫

亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225000

0 引言

汽車燃油箱系統(tǒng)作為汽車重要部件之一，它為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)存儲(chǔ)和供應(yīng)燃油，是汽車零部件中的關(guān)鍵件與安全件，影響到汽車整車的安全性能，所以人們十分關(guān)注其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

早期的汽車燃油箱主要采用金屬材質(zhì)，隨著塑料科技的不斷發(fā)展和汽車輕量化的發(fā)展要求，燃油箱塑料化是現(xiàn)代汽車輕量化的一個(gè)重要發(fā)展方向，并且隨著汽車開發(fā)速度不斷提升，汽車底盤也越來越緊湊，為了充分利用有限的機(jī)械空間，汽車燃油箱的外形結(jié)構(gòu)也隨底盤結(jié)構(gòu)的不同而變得更加復(fù)雜，異型油箱是汽車油箱的一個(gè)重要發(fā)展方向，所以，塑料油箱越來越多的得到開發(fā)與應(yīng)用。和金屬油箱相比，塑料燃油箱具有耐沖擊性好、不易滲漏、質(zhì)量輕、防腐能力強(qiáng)、造型隨意、安全性高、生產(chǎn)成本低、加工工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，歐美等發(fā)達(dá)國家的汽車塑料燃油箱的使用率已達(dá)到90%，而我國目前塑料燃油箱的使用率為70%左右。

雖然塑料燃油箱具有眾多優(yōu)異性能，但是與金屬燃油箱相比，由于塑料燃油箱材料的強(qiáng)度較低，導(dǎo)致了塑料燃油箱本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，所以，當(dāng)塑料燃油箱承受一定內(nèi)壓時(shí)會(huì)發(fā)生較大變形量，甚至存在失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，在開發(fā)汽車塑料燃油箱時(shí)，不得不考慮塑料燃油箱內(nèi)部壓力對(duì)其變形的影響。如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，不僅會(huì)增加大量的開發(fā)成本，而且會(huì)造成產(chǎn)品開發(fā)周期長、產(chǎn)品性能難以滿足顧客要求等問題。而通過CAE模擬的手段，可以在設(shè)計(jì)階段直接通過對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行模擬分析，尋找設(shè)計(jì)薄弱位置，優(yōu)化數(shù)模，大幅提升研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期和降低成本。文中基于ABAQUS分析軟件，對(duì)某款塑料燃油箱系統(tǒng)進(jìn)行了內(nèi)壓變形模擬，得到了燃油箱在內(nèi)部壓力下的變形量，同時(shí)，對(duì)實(shí)物燃油箱進(jìn)行了相同工況下的內(nèi)壓變形性能試驗(yàn)，對(duì)比模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證模擬的可靠性，為汽車燃油箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 內(nèi)壓變形模擬

1.1 有限元模型

圖1為某款燃油箱總成有限元模型，包含燃油箱本體、內(nèi)置立柱、減震墊、鋼帶、夾邊、燃油泵法蘭、鎖緊環(huán)等，燃油箱本體材料主要是高密度聚乙烯(HDPE)，厚度為5.5 mm，采用S3/S4殼單元建模；內(nèi)置立柱材料為聚甲醛(POM)，采用C3D3和C3D4實(shí)體單元建模；減震墊材料為橡膠，為了簡化模型，采用R3D3和R3D4剛性體單元建模；鋼帶材料為H340，厚度為2 mm，采用S3/S4殼單元建模；夾邊材料主要是高密度聚乙烯，厚度為8 mm，采用S3/S4殼單元建模；燃油泵法蘭材料為聚甲醛，厚度為3 mm，采用S3/S4殼單元建模；鎖緊環(huán)材料為DC01，厚度2.5 mm，采用S3/S4殼單元建模；以上材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等重要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。整個(gè)模型共計(jì)205 502個(gè)單元網(wǎng)格。

圖1 某款燃油箱總成有限元模型

表1 材料參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2 邊界條件

文中設(shè)置燃油箱與減震墊之間為軟接觸行為，燃油箱與鋼帶之間為摩擦接觸行為，燃油箱與內(nèi)置立柱為綁定約束行為，燃油泵法蘭和燃油箱綁定約束行為，鎖緊環(huán)與燃油泵法蘭綁定約束行為。燃油箱在安裝狀態(tài)下，所受的載荷工況見表2。按照上述邊界條件和載荷，應(yīng)用ABAQUS分析軟件進(jìn)行內(nèi)壓變形模擬，計(jì)算燃油箱本體變形量。

表2 燃油箱載荷工況

2 內(nèi)壓變形試驗(yàn)

圖2為某款燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)裝置，圖3為燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)的位移測量點(diǎn)分布。其試驗(yàn)過程如下：將燃油箱安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，向燃油箱中注入100%額定容積的水，密封燃油箱總成所有出氣口，安裝并固定位移傳感器，通過加壓設(shè)備向燃油箱內(nèi)部施加40 kPa壓力，分別測量圖3所示位移測量點(diǎn)的變形量。

圖2 某款燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)裝置

圖3 燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)的位移測量點(diǎn)分布

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)壓變形模擬結(jié)果分析

燃油箱總成內(nèi)壓變形模擬結(jié)果表明，當(dāng)燃油箱內(nèi)部施加40 kPa壓力時(shí)，燃油箱內(nèi)壓變形模擬的上表面變形量分布如圖4所示，燃油箱內(nèi)壓變形模擬的下表面變形量分布如圖5所示。

圖4 燃油箱內(nèi)壓變形模擬的上表面變形量分布

圖5 燃油箱內(nèi)壓變形模擬的下表面變形量分布

3.2 內(nèi)壓變形模擬-試驗(yàn)結(jié)果分析

表3為燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)與模擬變形量的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，圖6為燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)與模擬變形量的誤差分析，通過表3和圖6可以看出，燃油箱內(nèi)壓變形模擬與試驗(yàn)的變形量變化趨勢高度一致，變形量的誤差在0.8 mm以內(nèi)，說明內(nèi)壓變形模擬具有較高的精度，因此模擬可準(zhǔn)確預(yù)測油箱變形量，用于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

表3 燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)與模擬變形量的結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位:mm

圖6 燃油箱內(nèi)壓變形試驗(yàn)與模擬變形量的誤差分析

4 結(jié)束語

文中以某塑料燃油箱為研究載體，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了內(nèi)壓變形模擬，計(jì)算得到了40 kPa內(nèi)壓下的燃油箱本體變形量分布，為了驗(yàn)證模擬精度，文中也對(duì)該燃油箱進(jìn)行了相同工況下的內(nèi)壓變形試驗(yàn)，對(duì)比內(nèi)壓變形模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果表明，兩者變形量變化趨勢一致，變形量誤差在0.8 mm以內(nèi)，說明內(nèi)壓變形模擬具有較高的精度，因此可以根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。