基于ABAQUS的燃油箱系统内压变形模拟研究
2022-05-01李志敏陈学宏王帅谷昌甫
李志敏，陈学宏，王帅，谷昌甫
亚普汽车部件股份有限公司，江苏扬州 225000
0 引言
汽车燃油箱系统作为汽车重要部件之一，它为汽车发动机存储和供应燃油，是汽车零部件中的关键件与安全件，影响到汽车整车的安全性能，所以人们十分关注其结构强度。
早期的汽车燃油箱主要采用金属材质，随着塑料科技的不断发展和汽车轻量化的发展要求，燃油箱塑料化是现代汽车轻量化的一个重要发展方向，并且随着汽车开发速度不断提升，汽车底盘也越来越紧凑，为了充分利用有限的机械空间，汽车燃油箱的外形结构也随底盘结构的不同而变得更加复杂，异型油箱是汽车油箱的一个重要发展方向，所以，塑料油箱越来越多的得到开发与应用。和金属油箱相比，塑料燃油箱具有耐冲击性好、不易渗漏、质量轻、防腐能力强、造型随意、安全性高、生产成本低、加工工艺简单等优点，欧美等发达国家的汽车塑料燃油箱的使用率已达到90%，而我国目前塑料燃油箱的使用率为70%左右。
虽然塑料燃油箱具有众多优异性能，但是与金属燃油箱相比，由于塑料燃油箱材料的强度较低，导致了塑料燃油箱本体结构强度低，所以，当塑料燃油箱承受一定内压时会发生较大变形量，甚至存在失效风险。因此，在开发汽车塑料燃油箱时，不得不考虑塑料燃油箱内部压力对其变形的影响。如果采用传统的设计方式，不仅会增加大量的开发成本，而且会造成产品开发周期长、产品性能难以满足顾客要求等问题。而通过CAE模拟的手段，可以在设计阶段直接通过对设计数模进行模拟分析，寻找设计薄弱位置，优化数模，大幅提升研发效率，缩短研发周期和降低成本。文中基于ABAQUS分析软件，对某款塑料燃油箱系统进行了内压变形模拟，得到了燃油箱在内部压力下的变形量，同时，对实物燃油箱进行了相同工况下的内压变形性能试验，对比模拟结果与试验结果，验证模拟的可靠性，为汽车燃油箱系统的设计提供理论依据。
1 内压变形模拟
1.1 有限元模型
图1为某款燃油箱总成有限元模型，包含燃油箱本体、内置立柱、减震垫、钢带、夹边、燃油泵法兰、锁紧环等，燃油箱本体材料主要是高密度聚乙烯(HDPE)，厚度为5.5 mm，采用S3/S4壳单元建模；内置立柱材料为聚甲醛(POM)，采用C3D3和C3D4实体单元建模；减震垫材料为橡胶，为了简化模型，采用R3D3和R3D4刚性体单元建模；钢带材料为H340，厚度为2 mm，采用S3/S4壳单元建模；夹边材料主要是高密度聚乙烯，厚度为8 mm，采用S3/S4壳单元建模；燃油泵法兰材料为聚甲醛，厚度为3 mm，采用S3/S4壳单元建模；锁紧环材料为DC01，厚度2.5 mm，采用S3/S4壳单元建模；以上材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度等重要参数的统计结果见表1。整个模型共计205 502个单元网格。
图1 某款燃油箱总成有限元模型
表1 材料参数的统计结果
1.2 边界条件
文中设置燃油箱与减震垫之间为软接触行为，燃油箱与钢带之间为摩擦接触行为，燃油箱与内置立柱为绑定约束行为，燃油泵法兰和燃油箱绑定约束行为，锁紧环与燃油泵法兰绑定约束行为。燃油箱在安装状态下，所受的载荷工况见表2。按照上述边界条件和载荷，应用ABAQUS分析软件进行内压变形模拟，计算燃油箱本体变形量。
表2 燃油箱载荷工况
2 内压变形试验
图2为某款燃油箱内压变形试验装置，图3为燃油箱内压变形试验的位移测量点分布。其试验过程如下：将燃油箱安装在试验台架上，向燃油箱中注入100%额定容积的水，密封燃油箱总成所有出气口，安装并固定位移传感器，通过加压设备向燃油箱内部施加40 kPa压力，分别测量图3所示位移测量点的变形量。
图2 某款燃油箱内压变形试验装置
图3 燃油箱内压变形试验的位移测量点分布
3 结果与分析
3.1 内压变形模拟结果分析
燃油箱总成内压变形模拟结果表明，当燃油箱内部施加40 kPa压力时，燃油箱内压变形模拟的上表面变形量分布如图4所示，燃油箱内压变形模拟的下表面变形量分布如图5所示。
图4 燃油箱内压变形模拟的上表面变形量分布
图5 燃油箱内压变形模拟的下表面变形量分布
3.2 内压变形模拟-试验结果分析
表3为燃油箱内压变形试验与模拟变形量的结果统计，图6为燃油箱内压变形试验与模拟变形量的误差分析，通过表3和图6可以看出，燃油箱内压变形模拟与试验的变形量变化趋势高度一致，变形量的误差在0.8 mm以内，说明内压变形模拟具有较高的精度，因此模拟可准确预测油箱变形量，用于设计阶段的产品性能风险评估。
表3 燃油箱内压变形试验与模拟变形量的结果统计 单位:mm
图6 燃油箱内压变形试验与模拟变形量的误差分析
4 结束语
文中以某塑料燃油箱为研究载体，应用有限元分析软件ABAQUS对该项目进行了内压变形模拟，计算得到了40 kPa内压下的燃油箱本体变形量分布，为了验证模拟精度，文中也对该燃油箱进行了相同工况下的内压变形试验，对比内压变形模拟结果与试验结果表明，两者变形量变化趋势一致，变形量误差在0.8 mm以内，说明内压变形模拟具有较高的精度，因此可以根据模拟结果对设计进行优化。
