基于ABAQUS的燃油箱跌落模拟
2019-05-10杨杰陈学宏
杨杰,陈学宏
(亚普汽车部件股份有限公司研究开发中心，江苏扬州 225009)
0 引言
汽车燃油箱是车上唯一储存燃油的地方，是车上重要的功能与安全部件，它必须牢固、密封、耐冲击。跌落实验是检验燃油箱产品是否合格的重要手段，相应的国家规范以及各个汽车生产商都明确了跌落实验要求[1-3]。因此，利用目前日益成熟的CAE技术，在燃油箱设计阶段进行跌落模拟，预测出燃油箱可能破坏的区域和结构，为结构的优化及后续的工艺调试提供指导，最大限度地确保燃油箱通过跌落实验，显得非常有必要和意义[1-3]。
与一般的跌落模拟相比，燃油箱跌落模拟的特殊性在于，其内部密封液体和气体，其跌落过程中会受很复杂的气、液、固三相耦合作用。因此，正确模拟出气、液、固三相耦合作用是整个模拟的关键所在。采用CFD与FEA结合的方法，固然能够很好地解决上述三相耦合，但需要非常高昂的计算机资源，实际操作也非常复杂。
考虑到在跌落中只对燃油箱本体感兴趣，没有必要精确考虑内部的气体和液体运动形态，只需要考虑气体和液体对油箱内壁的压力即可。ABAQUS软件的状态方程可以非常方便地实现上述设想，而ABAQUS自身有强大的非线性求解能力，同时也保证了跌落过程中各种复杂的接触问题，能够得到精确求解[6]。
1 状态方程原理
1.1 能量方程及Hugonio曲线
对于封闭系统，其内能的增加等于应力所做功与增加热能的总和。在绝热条件下，能量方程可写成如下形式[4]：
(1)
p=f(ρ,Em)
(2)
上述公式中内能可以消去，这样就得到了p与V之间的对应关系(V为物质当前体积)，或者p与1/ρ之间的对应关系。这些对应关系对于每一种用状态方程模拟的物质都是唯一，这种唯一的对应关系称为Hugonio曲线，一种典型的Hugonio曲线如图1所示。
图1 Hugonio曲线示意图
其中：pH为Hugonio压力，只与密度有关，可以通过经验数据近似得到。
1.2 Mie-Grüneisen 状态方程
Mie-Grüneisen状态方程最常用形式[5]如下：
p-pH=Γρ(Em-EH)
(3)
式中：pH与EH分别为Hugonio压力和能量(单位质量)，只与密度有关；Γ为Grüneisen 比率，其定义如下：
(4)
式中：Γ0为材料常数；ρ0为名义密度。
Hugonio能量EH可通过Hugonio压力pH进行定义：
(5)
式中：η=1-ρ0/ρ为名义体压缩应变。消去公式(3)中Γ和EH得到：
(6)
关于pH，一个广泛适用的经验公式如下：
(7)
将公式(7)代入公式(6)中得到如下公式：
(8)
这样就得到了物质压力的显式表达式，该公式适用于模拟水、燃油等液体物质。
1.3 理想气体状态方程
公式(8)适用于液体材料，而模拟油箱内部气体，还需要利用理想气体状态方程：
p+pA=ρRT
(9)
式中：pA为环境压力；R为气体常数；T为当前绝对温度。
理想气体的一个显著特点在于其内能只依赖于温度。因此，其内能可通过以下数值积分得到：
(10)
式中：Em0为在初始温度T0时的初始内能；cv为比热容。
综上所述，在ABAQUS软件中使用状态方程模拟液体，只需要设置参数ρ0、c0、s、Γ0即可；而模拟气体，只需要设置参数ρ0、pA、R、cv、T即可。
2 工程实例
为了验证上述模拟方法的正确性，文中使用上述方法对一种典型结构的燃油箱进行跌落模拟，并与实验结果进行对比。
2.1 分析模型
分别使用壳单元、实体单元、刚性单元建立燃油箱模型、气体模型、液体模型、刚性地面模型，并将它们根据实验实际情况进行装配，如图2—图6所示。
图2 燃油箱模型
图3 气体模型
图4 液体模型
图5 刚性地面模型
图6 装配模型
使用上文的状态方程设置气体模型及液体模型，而对燃油箱模型、刚性面的设置以及整个装配模型的荷载工况、边界条件、各个部件之间的接触关系设置，均与一般类型的跌落模拟相同，这里就不再一一详细说明。
2.2 结果分析
图7、图8分别表示燃油箱反弹刚刚离开地面时的Mises应力分布图、等效塑性应变分布图，图9表示燃油箱跌落实验中实际破坏图。
图7 Mises应力分布图
图8 等效塑性应变分布图
图9 跌落实验实际破坏图
可以看出，燃油箱反弹刚刚离开地面时刻，燃油箱本体上的最大Mises应力及最大等效塑性应变出现区域与跌落实验中燃油箱实际破坏区域非常吻合。
3 结论
针对部分充满液体的密封燃油箱跌落模拟问题，抛弃了常规的CFD+FEM模拟方法，采用状态方程的方法近似模拟内部气体与液体。通过对工程中典型燃油箱进行模拟，并与实际跌落实验结果进行对比，证明了该方法的模拟精度是有保证的。而该方法对计算机资源需求低以及操作上的便利，使该方法与常规的CFD+FEM模拟方法相比，更具有实用性和经济性。
