基于Hypermesh Abaqus的汽車燃油系統(tǒng)有限元分析

    燃油系統(tǒng)是汽車至關(guān)重要的部件之一，它關(guān)系到每個乘客的生命安全。早期的燃油箱大多由金屬材料制成，后來多改用合成材料來適應(yīng)汽車輕量化的發(fā)展需求以滿足新的汽車燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)，伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，塑料燃油箱得到了較快的發(fā)展。世界上第一只汽車塑料燃油箱是在上世紀(jì)60年代由德國大眾汽車公司、BASF公司和KAUTEX公司聯(lián)合開發(fā)的，并成功應(yīng)用于PORSCHE車上。由于燃油系統(tǒng)的復(fù)雜性和材料的特殊性，其極限工況載荷下的應(yīng)力應(yīng)變一直是燃油系統(tǒng)設(shè)計中關(guān)注的重點。本文運用Hypermesh建立整個燃油系統(tǒng)完整模型，通過和試驗數(shù)據(jù)對比模態(tài)驗證了模型的正確性，并運用ABAQUS的靜力學(xué)非線性計算模塊，對極限載荷工況下的燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行模擬計算，校核極限工況下燃油系統(tǒng)強度是否符合設(shè)計規(guī)范要求，以指導(dǎo)設(shè)計改進(jìn)。

1 有限元模型

    圖1、圖2是整個燃油系統(tǒng)的有限元模型，包括塑料燃油箱本體、隔熱板、綁帶、油泵、油泵彈簧和減震墊。采用殼單元建模，其中油箱本體和鋼帶、隔熱板、油泵、減震墊均為接觸對，此外鋼帶與隔熱板直接也設(shè)置接觸。油泵和減震墊設(shè)置為剛體，減震墊的厚度隨著與油箱本體之間的接觸力的變化而變化。各個接觸面之間均為非線性接觸。圖3、圖4為接觸對設(shè)置圖。

圖1 塑料燃油箱總成

圖2 塑料燃油箱本體剖面圖

圖3 綁帶和油箱本體接觸對

圖4 綁帶和隔熱板接觸對

    模型中，油泵底部與油箱內(nèi)表面接觸，上部通過梁單元連接油泵與油箱油泵口，如圖5所示。

    燃油箱本體材料為HDPE，隔熱板材料為AL綁帶材料為ST12。整個模型一共92470個單元。

圖5 油泵與油箱本體連接

2 邊界條件

    減震墊固定并與燃油箱本體接觸。綁帶螺栓孔處施加向上4mm的預(yù)緊位移。油泵彈簧初始位置受到大小為64N的拉力。

    在以上邊界條件下，根據(jù)工作狀態(tài)中可能遇到的極限情況，分別對油箱本體施加額定容積下的液壓和沿著Z負(fù)方向的lOg重力加速度和極限內(nèi)壓。

    在此載荷下，研究燃油系統(tǒng)各個部件是否能夠達(dá)到規(guī)定的強度要求。

3 模型驗證

    為了驗證搭建的燃油系統(tǒng)有限元模型正確性，對模型進(jìn)行模態(tài)分析，取前三階振動頻率和振動臺架試驗得到的振動頻率值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1所示。

表1 有限元模型與試驗共振頻率對比表

    由表1可知，計算值都高于試驗值，這是由于在有限元建模時對油泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，并刪除了油箱本體上一下管卡、凹槽等一些小特征，導(dǎo)致整個模型剛度偏大。盡管如此，燃油系統(tǒng)有限元模型模態(tài)分析計算值與試驗值的相對誤差基本在5%以內(nèi)，這表明有限元模型能較好的反應(yīng)燃油系統(tǒng)真實特性。

4 計算結(jié)果及分析

    圖6為在Z方向10g重力加速度載荷下燃油箱綁帶應(yīng)力分布圖。由計算結(jié)果可知鋼帶固定端應(yīng)力值最大，達(dá)到346MPa，大于材料屈服應(yīng)力340MPa，不符合強度要求。需要改變設(shè)計方案。

    將鋼帶結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行優(yōu)化，通過多次嘗試對比，最終鋼帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案如圖7所示。

    改變油箱綁帶端部結(jié)構(gòu)之后，在相同的載荷工況下，燃油系統(tǒng)應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。

    由計算結(jié)果可以看出，鋼帶端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，應(yīng)力最大值降至325MPa，符合強度要求。

    除綁帶外，油箱本體的應(yīng)力指標(biāo)也是重點關(guān)注的數(shù)據(jù)，圖9為油箱本體應(yīng)力云圖，由于油箱本體材料屈服應(yīng)力為24MPa，可以判斷在此工況下油箱本體強度符合要求。

圖6 10g重力加速度下系統(tǒng)應(yīng)力圖

    除Z負(fù)方向lOg重力加速度載荷之外，燃油系統(tǒng)還存在呼吸狀態(tài)，即油箱內(nèi)壓最高和最低狀態(tài)。一般情況下，普通燃油箱需要承受最高內(nèi)壓為30KP，最低為-3.5KP，高于或者低于這一壓強，油箱上的閥門就會自動打開，調(diào)節(jié)內(nèi)壓。

圖7 優(yōu)化方案

圖8 優(yōu)化后10g重力加速度下系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖9 優(yōu)化后10g重力加速度下本體應(yīng)力圖

    圖10～13分別為油箱內(nèi)壓為30KP時的Z方向變形量云圖、油箱本體應(yīng)力云圖、綁帶應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變云圖。從圖中可以看出，油箱本體和綁帶的應(yīng)力最大值均沒有超過材料的屈服應(yīng)力即24MP和320MP。

圖10 30KP內(nèi)壓下油箱本體應(yīng)力圖

圖11 30KP內(nèi)壓下綁帶應(yīng)力圖

圖12 30KP內(nèi)壓下綁帶等效塑性應(yīng)變應(yīng)力圖

    圖11～14分別為油箱內(nèi)壓為-3.5KP時的油箱本體應(yīng)力云圖和綁帶應(yīng)力。從圖中結(jié)果可以看出在-3.5KP工況下，本設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖13 -3.5KP內(nèi)壓下油箱本體應(yīng)力圖

圖14 -3.5KP內(nèi)壓下綁帶應(yīng)力圖

4 結(jié)論

    本文運用Hypermesh軟件對整個汽車燃油系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，并驗證了模型的正確性。并應(yīng)用ABAQUS軟件模擬汽車塑料燃油系統(tǒng)在不同極限工況下的結(jié)構(gòu)強度，得出以下結(jié)論：①在lOg極限重力加速度工作狀態(tài)，油箱本體以及油箱和綁帶的應(yīng)力最大值通過優(yōu)化設(shè)計方案，滿足設(shè)計要求。②在燃油箱內(nèi)部極限高壓30KP下，油箱和綁帶的最大應(yīng)力都小于材料屈服應(yīng)力，滿足要求。③在燃油箱內(nèi)壓為極限低壓-3.5KP時，油箱底部下沉量以及油箱和綁帶的應(yīng)力最大值都滿足設(shè)計要求。