基于ABAQUS的燃油箱爆破模擬研究

李志敏，陳學(xué)宏，王帥

(亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225000)

0 引言

汽車燃油箱系統(tǒng)為汽車提供燃油存儲(chǔ)空間，并向發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃油，作為汽車關(guān)鍵部件，汽車主機(jī)廠對(duì)其強(qiáng)度、安全等方面十分關(guān)注。由于塑料燃油箱具有質(zhì)量輕、耐沖擊性能好、防腐能力強(qiáng)、安全性高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已在乘用車領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。但是相對(duì)于金屬燃油箱，塑料燃油箱強(qiáng)度低，內(nèi)壓變形量大，所以，其極限工況下的失效行為尤其能引起人們的關(guān)注。如果采用設(shè)計(jì)—樣件—試驗(yàn)—再設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式，會(huì)造成產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)，產(chǎn)品性能很難符合要求，無(wú)形之中增加研發(fā)成本。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE仿真技術(shù)已在汽車研發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)分析復(fù)雜的技術(shù)工程問(wèn)題提供了有效解決方案，CAE仿真技術(shù)可在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行評(píng)估，降低產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中以某款塑料燃油箱項(xiàng)目為例，單軸拉伸測(cè)試獲得燃油箱本體材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用ABAQUS分析軟件對(duì)其進(jìn)行爆破仿真模型的搭建，采用大變形分析技術(shù)，計(jì)算得到燃油箱爆破模擬中可能出現(xiàn)的失效位置，與此同時(shí)，對(duì)實(shí)物燃油箱進(jìn)行爆破試驗(yàn)，并將爆破模擬與爆破試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證爆破模擬的可靠性，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 爆破模擬

1.1 有限元模型

圖1為某款燃油箱焊接總成有限元模型，包含燃油箱本體、燃油箱夾邊、燃油泵法蘭、鎖緊環(huán)等，燃油箱本體材料主要是高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)，文中將其等效為各向同性的均一化材料，燃油箱材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，燃油箱本體厚度為5.2 mm，采用C3D6/C3D8實(shí)體單元建模，厚度方向三層網(wǎng)格；燃油箱夾邊材料主要是HDPE，厚度為8 mm，采用S3/S4殼單元建模；燃油泵法蘭材料為聚甲醛(polyoxymethylene,POM)，厚度為3 mm，采用S3/S4殼單元建模;鎖緊環(huán)材料為DC01，厚度為2.5 mm，采用S3/S4殼單元建模,以上材料的密度、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(jiàn)表1。整個(gè)模型一共383 805個(gè)單元網(wǎng)格。

圖1 某款燃油箱焊接總成有限元模型

圖2 燃油箱材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 邊界條件

文中設(shè)置燃油泵法蘭和燃油箱綁定約束行為，鎖緊環(huán)與燃油泵法蘭綁定約束行為，燃油箱在自由狀態(tài)下，對(duì)燃油箱總成由內(nèi)向外施加載荷，載荷大小為0.35 MPa。按照上述邊界條件，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行爆破模擬，采用大變形技術(shù)，計(jì)算燃油箱本體應(yīng)力應(yīng)變，判斷爆破模擬是否有失效風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 非線性理論

由于燃油箱爆破模擬對(duì)極限工況進(jìn)行仿真，所以燃油箱箱體會(huì)發(fā)生大的變形量，需采用大變形分析技術(shù)，其中涉及到結(jié)構(gòu)的非線性，結(jié)構(gòu)非線性包括材料非線性、邊界非線性、幾何非線性，其中材料非線性是指在應(yīng)變較大時(shí)材料發(fā)生屈服，材料的響應(yīng)變成了非線性；邊界非線性是指邊界條件隨著分析過(guò)程而發(fā)生變化；幾何非線性是指分析過(guò)程中結(jié)構(gòu)的幾何模型發(fā)生了改變，其位移的大小影響到結(jié)構(gòu)響應(yīng)，可以是大撓度或轉(zhuǎn)動(dòng)、突然翻轉(zhuǎn)、初應(yīng)力或載荷硬化。ABAQUS使用Newton-Raphson方法求解非線性問(wèn)題，通過(guò)逐步施加給定載荷，以增量形式趨于最終解。其基本理論：考慮作用在物體上的外部作用力和內(nèi)部作用力，作用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)部作用力是由包含此節(jié)點(diǎn)的各單元中的應(yīng)力引起的，為了使物體處于平衡狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加的凈作用力必須為零，因此，平衡的基本判據(jù)為外部作用力和內(nèi)部作用力相互平衡：

-=0。

(1)

2 爆破試驗(yàn)

圖3為某款燃油箱焊接總成的爆破試驗(yàn)裝置圖。其試驗(yàn)過(guò)程如下：燃油箱在自由狀態(tài)下，密封燃油箱焊接總成所有出氣口，通過(guò)加壓設(shè)備向燃油箱內(nèi)部施加壓力，使得壓力上升直至燃油箱發(fā)生開(kāi)裂失效。

圖3 某款燃油箱焊接總成的爆破試驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 爆破模擬結(jié)果分析

燃油箱焊接總成爆破模擬結(jié)果表明，當(dāng)燃油箱內(nèi)部施加0.35 MPa內(nèi)壓時(shí)，燃油箱爆破模擬的等效塑性應(yīng)變分布如圖4所示。由圖可以看出，燃油箱最大等效塑性應(yīng)變分別出現(xiàn)在燃油箱兩側(cè)，其數(shù)值分別為288.9%和213.4%，而燃油箱材料斷裂伸長(zhǎng)率約為400%，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)1.7～2.4，一般定義燃油箱爆破模擬失效標(biāo)準(zhǔn)為等效塑性應(yīng)變不超過(guò)200%。因此，文中認(rèn)為該燃油箱爆破模擬存在失效風(fēng)險(xiǎn)，且失效位置可能會(huì)發(fā)生在燃油箱兩側(cè)。

圖4 燃油箱爆破模擬的等效塑性應(yīng)變分布

3.2 爆破試驗(yàn)結(jié)果分析

燃油箱焊接總成爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)燃油箱內(nèi)部壓力上升至0.368 MPa時(shí)，燃油箱箱體發(fā)生開(kāi)裂，其爆破試驗(yàn)的油箱開(kāi)裂位置如圖5所示。

圖5 燃油箱爆破試驗(yàn)的油箱開(kāi)裂位置

3.3 爆破模擬-試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)燃油箱爆破模擬和爆破試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，燃油箱爆破模擬最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)的位置與爆破試驗(yàn)中燃油箱實(shí)際開(kāi)裂失效的區(qū)域一致，說(shuō)明爆破模擬具有較高的可靠性，可以用于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以某主機(jī)廠燃油箱項(xiàng)目為研究載體，通過(guò)單軸拉伸測(cè)試獲得了燃油箱材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了爆破模擬，采用大變形分析技術(shù)，計(jì)算得到了爆破壓力下的燃油箱本體的等效塑性應(yīng)變分布，預(yù)測(cè)其失效位置。同時(shí)，對(duì)該項(xiàng)目燃油箱實(shí)物進(jìn)行爆破試驗(yàn)，將爆破模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，燃油箱爆破模擬與試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的破壞位置一致，爆破模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，因此可以根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。