基于ABAQUS的燃油箱系統內壓變形模擬研究

李志敏，陳學宏，王帥，谷昌甫

亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚州 225000

0 引言

汽車燃油箱系統作為汽車重要部件之一，它為汽車發動機存儲和供應燃油，是汽車零部件中的關鍵件與安全件，影響到汽車整車的安全性能，所以人們十分關注其結構強度。

早期的汽車燃油箱主要采用金屬材質，隨著塑料科技的不斷發展和汽車輕量化的發展要求，燃油箱塑料化是現代汽車輕量化的一個重要發展方向，并且隨著汽車開發速度不斷提升，汽車底盤也越來越緊湊，為了充分利用有限的機械空間，汽車燃油箱的外形結構也隨底盤結構的不同而變得更加復雜，異型油箱是汽車油箱的一個重要發展方向，所以，塑料油箱越來越多的得到開發與應用。和金屬油箱相比，塑料燃油箱具有耐沖擊性好、不易滲漏、質量輕、防腐能力強、造型隨意、安全性高、生產成本低、加工工藝簡單等優點，歐美等發達國家的汽車塑料燃油箱的使用率已達到90%，而我國目前塑料燃油箱的使用率為70%左右。

雖然塑料燃油箱具有眾多優異性能，但是與金屬燃油箱相比，由于塑料燃油箱材料的強度較低，導致了塑料燃油箱本體結構強度低，所以，當塑料燃油箱承受一定內壓時會發生較大變形量，甚至存在失效風險。因此，在開發汽車塑料燃油箱時，不得不考慮塑料燃油箱內部壓力對其變形的影響。如果采用傳統的設計方式，不僅會增加大量的開發成本，而且會造成產品開發周期長、產品性能難以滿足顧客要求等問題。而通過CAE模擬的手段，可以在設計階段直接通過對設計數模進行模擬分析，尋找設計薄弱位置，優化數模，大幅提升研發效率，縮短研發周期和降低成本。文中基于ABAQUS分析軟件，對某款塑料燃油箱系統進行了內壓變形模擬，得到了燃油箱在內部壓力下的變形量，同時，對實物燃油箱進行了相同工況下的內壓變形性能試驗，對比模擬結果與試驗結果，驗證模擬的可靠性，為汽車燃油箱系統的設計提供理論依據。

1 內壓變形模擬

1.1 有限元模型

圖1為某款燃油箱總成有限元模型，包含燃油箱本體、內置立柱、減震墊、鋼帶、夾邊、燃油泵法蘭、鎖緊環等，燃油箱本體材料主要是高密度聚乙烯(HDPE)，厚度為5.5 mm，采用S3/S4殼單元建模；內置立柱材料為聚甲醛(POM)，采用C3D3和C3D4實體單元建模；減震墊材料為橡膠，為了簡化模型，采用R3D3和R3D4剛性體單元建模；鋼帶材料為H340，厚度為2 mm，采用S3/S4殼單元建模；夾邊材料主要是高密度聚乙烯，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，厚度為3 mm，采用S3/S4殼單元建模；鎖緊環材料為DC01，厚度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、屈服強度等重要參數的統計結果見表1。整個模型共計205 502個單元網格。

圖1 某款燃油箱總成有限元模型

表1 材料參數的統計結果

1.2 邊界條件

文中設置燃油箱與減震墊之間為軟接觸行為，燃油箱與鋼帶之間為摩擦接觸行為，燃油箱與內置立柱為綁定約束行為，燃油泵法蘭和燃油箱綁定約束行為，鎖緊環與燃油泵法蘭綁定約束行為。燃油箱在安裝狀態下，所受的載荷工況見表2。按照上述邊界條件和載荷，應用ABAQUS分析軟件進行內壓變形模擬，計算燃油箱本體變形量。

表2 燃油箱載荷工況

2 內壓變形試驗

圖2為某款燃油箱內壓變形試驗裝置，圖3為燃油箱內壓變形試驗的位移測量點分布。其試驗過程如下：將燃油箱安裝在試驗臺架上，向燃油箱中注入100%額定容積的水，密封燃油箱總成所有出氣口，安裝并固定位移傳感器，通過加壓設備向燃油箱內部施加40 kPa壓力，分別測量圖3所示位移測量點的變形量。

圖2 某款燃油箱內壓變形試驗裝置

圖3 燃油箱內壓變形試驗的位移測量點分布

3 結果與分析

3.1 內壓變形模擬結果分析

燃油箱總成內壓變形模擬結果表明，當燃油箱內部施加40 kPa壓力時，燃油箱內壓變形模擬的上表面變形量分布如圖4所示，燃油箱內壓變形模擬的下表面變形量分布如圖5所示。

圖4 燃油箱內壓變形模擬的上表面變形量分布

圖5 燃油箱內壓變形模擬的下表面變形量分布

3.2 內壓變形模擬-試驗結果分析

表3為燃油箱內壓變形試驗與模擬變形量的結果統計，圖6為燃油箱內壓變形試驗與模擬變形量的誤差分析，通過表3和圖6可以看出，燃油箱內壓變形模擬與試驗的變形量變化趨勢高度一致，變形量的誤差在0.8 mm以內，說明內壓變形模擬具有較高的精度，因此模擬可準確預測油箱變形量，用于設計階段的產品性能風險評估。

表3 燃油箱內壓變形試驗與模擬變形量的結果統計 單位:mm

圖6 燃油箱內壓變形試驗與模擬變形量的誤差分析

4 結束語

文中以某塑料燃油箱為研究載體，應用有限元分析軟件ABAQUS對該項目進行了內壓變形模擬，計算得到了40 kPa內壓下的燃油箱本體變形量分布，為了驗證模擬精度，文中也對該燃油箱進行了相同工況下的內壓變形試驗，對比內壓變形模擬結果與試驗結果表明，兩者變形量變化趨勢一致，變形量誤差在0.8 mm以內，說明內壓變形模擬具有較高的精度，因此可以根據模擬結果對設計進行優化。