基于ABAQUS的燃油箱跌落模擬

楊杰,陳學宏

(亞普汽車部件股份有限公司研究開發中心，江蘇揚州 225009)

0 引言

汽車燃油箱是車上唯一儲存燃油的地方，是車上重要的功能與安全部件，它必須牢固、密封、耐沖擊。跌落實驗是檢驗燃油箱產品是否合格的重要手段，相應的國家規范以及各個汽車生產商都明確了跌落實驗要求[1-3]。因此，利用目前日益成熟的CAE技術，在燃油箱設計階段進行跌落模擬，預測出燃油箱可能破壞的區域和結構，為結構的優化及后續的工藝調試提供指導，最大限度地確保燃油箱通過跌落實驗，顯得非常有必要和意義[1-3]。

與一般的跌落模擬相比，燃油箱跌落模擬的特殊性在于，其內部密封液體和氣體，其跌落過程中會受很復雜的氣、液、固三相耦合作用。因此，正確模擬出氣、液、固三相耦合作用是整個模擬的關鍵所在。采用CFD與FEA結合的方法，固然能夠很好地解決上述三相耦合，但需要非常高昂的計算機資源，實際操作也非常復雜。

考慮到在跌落中只對燃油箱本體感興趣，沒有必要精確考慮內部的氣體和液體運動形態，只需要考慮氣體和液體對油箱內壁的壓力即可。ABAQUS軟件的狀態方程可以非常方便地實現上述設想，而ABAQUS自身有強大的非線性求解能力，同時也保證了跌落過程中各種復雜的接觸問題，能夠得到精確求解[6]。

1 狀態方程原理

1.1 能量方程及Hugonio曲線

對于封閉系統，其內能的增加等于應力所做功與增加熱能的總和。在絕熱條件下，能量方程可寫成如下形式[4]：

(1)

p=f(ρ,Em)

(2)

上述公式中內能可以消去，這樣就得到了p與V之間的對應關系(V為物質當前體積)，或者p與1/ρ之間的對應關系。這些對應關系對于每一種用狀態方程模擬的物質都是唯一，這種唯一的對應關系稱為Hugonio曲線，一種典型的Hugonio曲線如圖1所示。

圖1 Hugonio曲線示意圖

其中：pH為Hugonio壓力，只與密度有關，可以通過經驗數據近似得到。

1.2 Mie-Grüneisen 狀態方程

Mie-Grüneisen狀態方程最常用形式[5]如下：

p-pH=Γρ(Em-EH)

(3)

式中：pH與EH分別為Hugonio壓力和能量(單位質量)，只與密度有關；Γ為Grüneisen 比率，其定義如下：

(4)

式中：Γ0為材料常數；ρ0為名義密度。

Hugonio能量EH可通過Hugonio壓力pH進行定義：

(5)

式中：η=1-ρ0/ρ為名義體壓縮應變。消去公式(3)中Γ和EH得到：

(6)

關于pH，一個廣泛適用的經驗公式如下：

(7)

將公式(7)代入公式(6)中得到如下公式：

(8)

這樣就得到了物質壓力的顯式表達式，該公式適用于模擬水、燃油等液體物質。

1.3 理想氣體狀態方程

公式(8)適用于液體材料，而模擬油箱內部氣體，還需要利用理想氣體狀態方程：

p+pA=ρRT

(9)

式中：pA為環境壓力；R為氣體常數；T為當前絕對溫度。

理想氣體的一個顯著特點在于其內能只依賴于溫度。因此，其內能可通過以下數值積分得到：

(10)

式中：Em0為在初始溫度T0時的初始內能；cv為比熱容。

綜上所述，在ABAQUS軟件中使用狀態方程模擬液體，只需要設置參數ρ0、c0、s、Γ0即可；而模擬氣體，只需要設置參數ρ0、pA、R、cv、T即可。

2 工程實例

為了驗證上述模擬方法的正確性，文中使用上述方法對一種典型結構的燃油箱進行跌落模擬，并與實驗結果進行對比。

2.1 分析模型

分別使用殼單元、實體單元、剛性單元建立燃油箱模型、氣體模型、液體模型、剛性地面模型，并將它們根據實驗實際情況進行裝配，如圖2—圖6所示。

圖2 燃油箱模型

圖3 氣體模型

圖4 液體模型

圖5 剛性地面模型

圖6 裝配模型

使用上文的狀態方程設置氣體模型及液體模型，而對燃油箱模型、剛性面的設置以及整個裝配模型的荷載工況、邊界條件、各個部件之間的接觸關系設置，均與一般類型的跌落模擬相同，這里就不再一一詳細說明。

2.2 結果分析

圖7、圖8分別表示燃油箱反彈剛剛離開地面時的Mises應力分布圖、等效塑性應變分布圖，圖9表示燃油箱跌落實驗中實際破壞圖。

圖7 Mises應力分布圖

圖8 等效塑性應變分布圖

圖9 跌落實驗實際破壞圖

可以看出，燃油箱反彈剛剛離開地面時刻，燃油箱本體上的最大Mises應力及最大等效塑性應變出現區域與跌落實驗中燃油箱實際破壞區域非常吻合。

3 結論

針對部分充滿液體的密封燃油箱跌落模擬問題，拋棄了常規的CFD+FEM模擬方法，采用狀態方程的方法近似模擬內部氣體與液體。通過對工程中典型燃油箱進行模擬，并與實際跌落實驗結果進行對比，證明了該方法的模擬精度是有保證的。而該方法對計算機資源需求低以及操作上的便利，使該方法與常規的CFD+FEM模擬方法相比，更具有實用性和經濟性。