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(gè)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(jì)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(guó)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(jì)中關(guān)注的重點(diǎn)。本文運(yùn)用Hypermesh建立整個(gè)燃油系統(tǒng)完整模型，通過和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比模態(tài)驗(yàn)證了模型的正確性，并運(yùn)用ABAQUS的靜力學(xué)非線性計(jì)算模塊，對(duì)極限載荷工況下的燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行模擬計(jì)算，校核極限工況下燃油系統(tǒng)強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 有限元模型

    圖1、圖2是整個(gè)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(duì)，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(gè)接觸面之間均為非線性接觸。圖3、圖4為接觸對(duì)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(duì)

圖4 綁帶和隔熱板接觸對(duì)

    模型中，油泵底部與油箱內(nèi)表面接觸，上部通過梁?jiǎn)卧B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(gè)模型一共92470個(gè)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(duì)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(gè)部件是否能夠達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度要求。

3 模型驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證搭建的燃油系統(tǒng)有限元模型正確性，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，取前三階振動(dòng)頻率和振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)得到的振動(dòng)頻率值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 有限元模型與試驗(yàn)共振頻率對(duì)比表

    由表1可知，計(jì)算值都高于試驗(yàn)值，這是由于在有限元建模時(shí)對(duì)油泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(gè)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(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)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(shí)特性。

4 計(jì)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(jì)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(qiáng)度要求。需要改變?cè)O(shè)計(jì)方案。

    將鋼帶結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行優(yōu)化，通過多次嘗試對(duì)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(jì)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(qiáng)度要求。

    除綁帶外，油箱本體的應(yīng)力指標(biāo)也是重點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)，油箱上的閥門就會(huì)自動(dòng)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(shí)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?cè)茍D。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(shí)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(jì)方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yùn)用Hypermesh軟件對(duì)整個(gè)汽車燃油系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，并驗(yàn)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(qiáng)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(jì)方案，滿足設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)要求。