基于ABAQUS的燃油箱尖錘沖擊模擬研究

李志敏，陳學(xué)宏，王帥，郭雪楊

(亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225000)

0 引言

汽車燃油箱是汽車燃料供給系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，是汽車上重要功能零件之一，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。汽車燃油箱主要分為金屬燃油箱和塑料燃油箱，其中，由于塑料燃油箱具有質(zhì)量輕、防腐能力強(qiáng)、安全性高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在乘用車領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。但是，相對(duì)于金屬燃油箱，塑料燃油箱主要由高密度聚乙烯材料制備而成，材料強(qiáng)度較低，同時(shí)，由于燃油箱經(jīng)常暴露于車身底盤下方，承受著來自內(nèi)部和外部的載荷，所以，人們對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度十分關(guān)注。

以往設(shè)計(jì)大多依靠設(shè)計(jì)工程師的工作經(jīng)驗(yàn)，這種模式無疑造成了產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高、性能無法滿足工程要求等缺點(diǎn)。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，新車型迭代速度越來越快，車型開發(fā)周期越來越短，如果還是按照以往的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)模式，很難滿足現(xiàn)代快速變化的市場(chǎng)要求和汽車開發(fā)快速響應(yīng)的需求。為了改變汽車工業(yè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式，達(dá)到實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的目的，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE技術(shù)已在汽車研發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，汽車行業(yè)也越來越多地采用CAE技術(shù)進(jìn)行前期驗(yàn)證工作。

文中對(duì)塑料燃油箱進(jìn)行了30、50、70、90 J等不同沖擊能量下的沖擊性能模擬，計(jì)算得到不同沖擊能量下的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，判斷燃油箱在不同沖擊能量下是否發(fā)生失效；與此同時(shí)，也對(duì)塑料燃油箱進(jìn)行了相應(yīng)沖擊能量下的沖擊性能試驗(yàn)，通過對(duì)比燃油箱尖錘沖擊模擬和試驗(yàn)，驗(yàn)證燃油箱尖錘沖擊模擬的可靠性，為燃油箱設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 尖錘沖擊模擬

1.1 有限元模型

圖1為某款燃油箱尖錘沖擊有限元模型，包含燃油箱本體、吹塑夾邊、水、尖錘等，燃油箱本體材料主要是高密度聚乙烯，因尖錘沖擊屬于高速?zèng)_擊過程，文中需對(duì)燃油箱本體材料進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 500 mm/s，其試驗(yàn)曲線如圖2所示，燃油箱本體厚度為5.5 mm，采用S3/S4殼單元建模；吹塑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；水采用PC3D單元建模；尖錘簡(jiǎn)化為一個(gè)球體，其半徑與尖錘前端半徑保持一致，設(shè)置為剛性體，質(zhì)量為15 kg，采用R3D3和R3D4單元建模；塑料燃油箱材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等重要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。整個(gè)模型一共111 788個(gè)單元網(wǎng)格。

圖1 燃油箱有限元模型

圖2 燃油箱材料高速拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 燃油箱材料高速拉伸參數(shù)

1.2 邊界條件

文中通過固定燃油箱吹塑夾邊安裝孔的6個(gè)方向自由度而對(duì)燃油箱系統(tǒng)進(jìn)行固定，設(shè)置100%額定容積的水，通過設(shè)置水和燃油箱內(nèi)壁之間“General Contact”行為，實(shí)現(xiàn)水和燃油箱流固耦合；通過設(shè)置尖錘和燃油箱外壁之間“General Contact”行為，實(shí)現(xiàn)尖錘對(duì)燃油箱的沖擊；按照上述邊界條件，通過尖錘對(duì)燃油箱分別施加30、50、70、90 J的沖擊能量，采用ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行尖錘沖擊模擬，計(jì)算得到燃油箱本體應(yīng)力應(yīng)變，判斷不同沖擊能量下尖錘沖擊模擬是否發(fā)生失效。

1.3 顯式動(dòng)力學(xué)理論

動(dòng)力學(xué)問題的特點(diǎn)是施加到結(jié)構(gòu)上的外載荷的大小和方向可能隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生速度和加速度。當(dāng)考慮動(dòng)力響應(yīng)之后，除了考慮剛度矩陣還需要考慮質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，分別計(jì)入速度和加速度的影響，也即阻尼力和慣性力的作用，因而求解動(dòng)力學(xué)問題的方程可表示為：

(1)

式中：為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣;

為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣;

為結(jié)構(gòu)剛度矩陣;

()為隨時(shí)間變化的載荷函數(shù);

為節(jié)點(diǎn)位移矢量;

一般來講，顯式動(dòng)力學(xué)采用的是中心差分法，用于求解和時(shí)間相關(guān)的動(dòng)力學(xué)問題，特別適合求解二維和三維非線性結(jié)構(gòu)的高速?zèng)_擊、爆炸、金屬成型等非線性動(dòng)力學(xué)問題。

2 尖錘沖擊試驗(yàn)

圖3為某款燃油箱總成的尖錘沖擊試驗(yàn)裝置。

圖3 某款燃油箱總成的尖錘沖擊試驗(yàn)裝置

燃油箱沖擊試驗(yàn)過程為：將燃油箱固定于尖錘試驗(yàn)機(jī)上，向燃油箱中加入額定容積的水，密封燃油箱總成所有出氣口，用擺錘分別以30、50、70、90 J的能量沖擊燃油箱，沖擊完成后觀察沖擊位置是否出現(xiàn)燃油箱內(nèi)部液體泄漏，進(jìn)而判斷箱體是否發(fā)生破壞。

3 結(jié)果與分析

3.1 尖錘沖擊模擬結(jié)果分析

燃油箱尖錘沖擊模擬結(jié)果表明，當(dāng)尖錘沖擊能量分別為30、50、70、90 J時(shí)，燃油箱的等效塑性應(yīng)變分布分別如圖4至圖7所示。由圖4可知沖擊能量為30 J時(shí)燃油箱最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?7.92%，圖5中沖擊能量為50 J時(shí)燃油箱最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?36.5%，圖6中沖擊能量為70 J時(shí)燃油箱最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?81.2%，圖7中沖擊能量為90 J時(shí)燃油箱最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?38.9%。而燃油箱材料高速拉伸斷裂伸長(zhǎng)率約為120%，根據(jù)行業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)以及汽車設(shè)計(jì)理論安全系數(shù)為1.7～2.4，一般定義燃油箱沖擊模擬失效標(biāo)準(zhǔn)為等效塑性應(yīng)變不超過60%。由此可知，尖錘沖擊能量為30 J時(shí)，燃油箱沖擊位置不發(fā)生失效;但尖錘沖擊能量分別為50、70、90 J時(shí)，燃油箱沖擊位置則發(fā)生失效。

圖4 沖擊能量為30 J時(shí)燃油箱等效塑性應(yīng)變分布

圖5 沖擊能量為50 J時(shí)燃油箱等效塑性應(yīng)變分布

圖6 沖擊能量為70 J時(shí)燃油箱等效塑性應(yīng)變分布

圖7 沖擊能量為90 J時(shí)燃油箱等效塑性應(yīng)變分布

3.2 尖錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

尖錘沖擊能量分別為30、50、70、90 J時(shí)，燃油箱尖錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別如圖8至圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：尖錘沖擊能量為30 J時(shí)，燃油箱沖擊位置沒有發(fā)生破壞泄漏;但尖錘沖擊能量分別為50、70、90 J時(shí)，燃油箱沖擊位置則因破壞而發(fā)生了泄漏。

圖8 沖擊能量為30 J時(shí)燃油箱尖錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖9 沖擊能量為50 J時(shí)燃油箱尖錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖10 沖擊能量為70 J時(shí)燃油箱尖錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖11 沖擊能量為90 J時(shí)燃油箱尖錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3 尖錘沖擊模擬和試驗(yàn)結(jié)果分析

通過燃油箱尖錘沖擊模擬和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出：當(dāng)尖錘沖擊能量為30 J時(shí)，尖錘沖擊模擬和尖錘沖擊試驗(yàn)均未發(fā)生失效;但當(dāng)尖錘沖擊能量分別為50、70、90 J時(shí)，尖錘沖擊模擬和尖錘沖擊試驗(yàn)均發(fā)生了失效。由此可知，尖錘沖擊模擬具有較高的精度，可在設(shè)計(jì)階段對(duì)尖錘沖擊性能試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，迅速找到燃油箱設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，為燃油箱的設(shè)計(jì)更改提供方向性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

文中應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，采用顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊，對(duì)某款汽車塑料燃油箱進(jìn)行了沖擊能量分別為30、50、70、90 J的尖錘沖擊模擬。計(jì)算得到了不同沖擊能量下的燃油箱本體的等效塑性應(yīng)變分布，對(duì)燃油箱尖錘沖擊性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。同時(shí)，對(duì)燃油箱實(shí)物進(jìn)行相應(yīng)能量下的尖錘沖擊試驗(yàn)，對(duì)比尖錘沖擊模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)尖錘沖擊能量為30 J時(shí)，模擬與試驗(yàn)均不發(fā)生失效;但尖錘沖擊能量分別為50、70、90 J時(shí)，模擬與試驗(yàn)均發(fā)生了失效。由此可知，尖錘沖擊模擬結(jié)果具有較高可靠性，可在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，有助于降低設(shè)計(jì)成本，提高研發(fā)效率。