基于BlowView塑料燃油箱擠出吹塑數(shù)值模擬

趙鵬程，呂昊，陳學(xué)宏，李志敏，朱亮

亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225100

0 引言

汽車燃油箱是汽車燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，國家在其強(qiáng)度、安全和環(huán)保等方面有著十分嚴(yán)格的要求，塑料燃油箱可充分利用有限的汽車剩余空間，根據(jù)汽車主機(jī)廠的需求自由造型，成型簡便，任何復(fù)雜的造型也可以一次成型，燃油箱塑料化是現(xiàn)代汽車輕量化的一個(gè)重要發(fā)展方向。

塑料燃油箱殼體由高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)制成，采用可控制壁厚的擠出吹塑工藝，BlowView軟件可以通過給定初始輸入，模擬塑料燃油箱下料、預(yù)吹、合模、高壓吹、成型等整個(gè)成型過程，通過對比模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的差異，認(rèn)為模擬結(jié)果可以在前期設(shè)計(jì)階段預(yù)判箱體成型的可行性，識別燃油箱壁厚位置薄弱點(diǎn)，為設(shè)計(jì)更改提供參考。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

選用某車型塑料燃油箱進(jìn)行擠出吹塑數(shù)值模擬，燃油箱為1 000 mm×540 mm×230 mm形狀不規(guī)則體，其箱體及模具幾何如圖1所示。

圖1 燃油箱及模具幾何

對箱體及模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均采用10 mm三角形殼單元網(wǎng)格，其中箱體網(wǎng)格數(shù)為82 256個(gè)，模具網(wǎng)格數(shù)為107 168個(gè)。

1.2 控制方程及邊界條件

依據(jù)多層HDPE材料擠出吹塑過程做出如下基本假設(shè)：

(1)初始型坯溶體與模具接觸無滑移；

(2)以型坯壁厚非均勻優(yōu)化最優(yōu)結(jié)果作為初始型坯壁厚分布。

基于以上假設(shè)，描述吹脹過程的控制方程及K-BKZ本構(gòu)方程表達(dá)式如下所示。

連續(xù)性方程：

(1)

運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

接觸力張量：

=·

(3)

K-BKZ本構(gòu)方程模型：

(4)

能量方程：

(5)

熱邊界條件公式：

(6)

(7)

2 BlowView數(shù)值模擬方法

燃油箱材料為多層HDPE，成型過程依次為擠出熔體材料、崩料桿崩料、夾料板夾料、預(yù)吹、合模、高壓吹、冷卻等過程。

2.1 模具參數(shù)設(shè)置

在使用BlowView模擬擠出吹塑成型過程中，使用口模直徑為350 mm，模具四周邊緣距離箱體邊緣最小尺寸為100 mm，模具上邊緣距離口模中心尺寸為100 mm，模具下邊緣距離型坯下邊緣尺寸為100 mm，崩料桿上邊緣距離夾料板上邊緣尺寸為50 mm,夾料板上邊緣距離模具下邊緣尺寸為50 mm，模具打開時(shí)距離中心線位置為400 mm。模具位置示意如圖2所示。

圖2 模具位置示意

2.2 工藝參數(shù)設(shè)置

該燃油箱擠出吹塑數(shù)值模擬中，模擬工藝參數(shù)與實(shí)際工藝參數(shù)較為接近，下料時(shí)間86.8 s，塑化量110 000 mm/s，預(yù)吹壓力0.2 kPa，預(yù)吹時(shí)間5 s，高壓吹壓力0.02 MPa，高壓吹時(shí)間4 s，模內(nèi)冷卻熱傳導(dǎo)系數(shù)50 W/m·℃，模內(nèi)冷卻溫度8 ℃，模內(nèi)冷卻時(shí)間40 s，模外冷卻型坯內(nèi)部熱傳導(dǎo)系數(shù)5 W/m·℃，模外冷卻型坯內(nèi)部溫度10 ℃，模外冷卻型坯外部熱傳導(dǎo)系數(shù)50 W/m·℃，模外冷卻型坯外部溫度10 ℃，模外冷卻時(shí)間120 s，VWDS曲線如圖3所示。

圖3 VWDS曲線

3 模擬結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品對比

通過BlowView數(shù)值模擬可得到燃油箱產(chǎn)品信息有產(chǎn)品質(zhì)量、飛邊形狀、燃油箱壁厚分布、燃油箱溫度分布、翹曲變形等信息，該燃油箱實(shí)際質(zhì)量為7 860 g，模擬質(zhì)量為7 973 g，與實(shí)際質(zhì)量相差113 g，誤差為1.4%，在可接受誤差范圍5%以內(nèi)，下面著重對飛邊尺寸及箱體壁厚分布對比分析。

3.1 飛邊尺寸對比

實(shí)際箱體和模擬箱體的飛邊形狀如圖4所示。圖4a為實(shí)際箱體飛邊形狀，對其一周進(jìn)行0～43段劃分，得到實(shí)際和模擬飛邊尺寸對比如圖5所示。

圖4 實(shí)際箱體和模擬箱體的飛邊形狀

圖5 實(shí)際和模擬飛邊尺寸對比

通過對比分析可以看出模擬飛邊尺寸與實(shí)際飛邊尺寸變化趨勢基本一致，在編號為11～14處尺寸數(shù)值稍有差異，但在可接受范圍15%以內(nèi)，實(shí)際飛邊質(zhì)量為3 140 g，模擬飛邊質(zhì)量為3 025 g，與實(shí)際質(zhì)量相差115 g，誤差為3.7%，在可接受誤差范圍5%以內(nèi)，模擬結(jié)果較理想，通過吹塑模擬可以預(yù)測飛邊形狀及質(zhì)量。

3.2 壁厚分布對比

3.2.1 上表面壁厚分布對標(biāo)

上表面實(shí)際和模擬壁厚分布如圖6所示，上表面實(shí)際和模擬壁厚對比如圖7所示。

圖6 上表面實(shí)際和模擬壁厚分布

圖7 上表面實(shí)際和模擬壁厚對比

通過圖7可看出，該燃油箱上表面模擬壁厚最小值為3.05 mm，最大值為6.92 mm，模擬平均壁厚為5.61 mm，實(shí)際壁厚最小值為3.00 mm，最大值為7.48 mm，實(shí)際平均壁厚為5.55 mm;通過對比可以看出，上表面模擬壁厚與實(shí)際壁厚整體趨勢較一致，模擬平均壁厚比實(shí)際平均壁厚僅大0.06 mm，一致性較好，箱體邊緣位置差異性略大，局部位置最大差異為1.12 mm，通過模擬可以預(yù)測箱體壁厚分布。

3.2.2 下表面壁厚分布對比

下表面實(shí)際和模擬壁厚分布如圖8所示，下表面實(shí)際和模擬壁厚對比如圖9所示。

圖8 下表面實(shí)際和模擬壁厚分布

圖9 下表面實(shí)際和模擬壁厚對比

通過圖9可看出，該燃油箱下表面模擬壁厚最小值為3.08 mm，最大值為6.51 mm，模擬平均壁厚為5.42 mm，實(shí)際壁厚最小值為3.28 mm，最大值為6.82 mm，實(shí)際平均壁厚為5.52 mm;通過對比可以看出，下表面模擬壁厚與實(shí)際壁厚整體趨勢較一致，模擬平均壁厚比實(shí)際平均壁厚小0.10 mm，一致性較好，與上表面相同，箱體邊緣位置差異性略大，局部位置最大差異為1.16 mm，通過模擬可以預(yù)測箱體壁厚分布。

4 結(jié)束語

在塑料燃油箱擠出吹塑成型過程中，將實(shí)際工藝參數(shù)作為數(shù)值模擬輸入，通過BlowView軟件可以實(shí)現(xiàn)擠出吹塑過程模擬，模擬結(jié)果飛邊尺寸與實(shí)際飛邊尺寸較一致，最大誤差值為15 mm，箱體整體平均壁厚相差0.08 mm，模擬邊緣位置壁厚較實(shí)際壁厚偏薄0.5 mm左右，箱體整體分布趨勢較一致。模擬結(jié)果可以在前期設(shè)計(jì)階段預(yù)測油箱壁厚分布，識別壁厚薄弱點(diǎn)位置，評判制造可行性，為設(shè)計(jì)更改提供建議，提高設(shè)計(jì)效率。