基于Abaqus的汽车燃油系统结构强度分析

摘要： 以Abaqus的静力学分析为基础，采用非线性接触和变形分析方法，对不同工况下的汽车燃油系统进行结构强度分析，分别得到燃油箱和绑带在普通工况与极限工况下的应力应变状态以及变形量.计算结果基本符合客户的设计规范要求.结果表明：通过Abaqus的静力分析模块进行的结构强度分析，可以为燃油系统的设计和性能评估提供重要参考和依据.

关键词： 汽车； 燃油系统； 非线性分析； 应力； 应变； 变形量

中图分类号： U464.136.5； TB115.1文献标志码： B

引言

燃油系统是汽车至关重要的部件之一，关系到每个乘客的生命安全.早期的燃油箱大多由金属材料制成，后来多改用合成材料以适应汽车轻量化的发展需求，满足新的汽车燃油经济性标准.伴随着汽车工业的发展，塑料燃油箱得到较快发展.[1]

世界上第一只汽车塑料燃油箱是在20世纪60年代，由德国大众汽车公司、BASF公司和KAUTEX公司联合开发的，并成功应用于PORSCHE车上.[2]由于材料的特殊性，塑料燃油箱在不同工况下的变形量和应力应变参数一直是燃油系统设计中关注的重点.本文运用Abaqus的静力学非线性计算模块，对不同工况下的燃油系统结构强度进行模拟计算，校核不同工况下燃油系统变形后是否与车身发生干涉，以及应力应变状态是否符合相关标准等.

1有限元模型

塑料燃油箱总成见图1，包括塑料燃油箱本体、绑带、油泵和减震垫等.采用壳单元建模，将油泵和减震垫设置为刚体[3]，减震垫的厚度随与油箱本体之间的接触力的变化而变化.油箱本体开启大变形模式，各接触面间均为非线性接触.[4]燃油箱本体材料为高密度聚乙烯（HDPE），绑带材料为STEEL 12.塑料燃油箱本体剖面见图2.坐标系定义为z方向正方向，为燃油箱底部竖直指向顶部的方向；x方向为沿着绑带走向垂直于z方向；y方向根据右手定则确定.整个模型共有74 604个单元.

2边界条件

减震垫固定并与燃油箱本体接触；绑带螺栓孔处施加向上4 mm的预紧位移；油泵弹簧初始位置受到大小为64 N的拉力；燃油箱本体受到额定容积的燃油液压.在上述边界条件下，根据工作状态中遇到的不同状况，分别计算在燃油箱内压为6，30和-3 kPa时油箱本体的底部下沉量，以及燃油箱和绑带的应力应变.

3计算结果及分析

当内压为6 kPa时，燃油箱z方向变形量云图、油箱本体应力云图、绑带应力和塑性应变云图分别见图3～6.根据行业内部标准，在正常工作状态下，燃油箱z方向变形量不能超过8 mm，油箱本体应力值不能超过24 MPa，绑带应力不能超过320 MPa，塑性应变不能超过0.01.从计算结果可知，本文设计方案完全满足正常工作状态下的结构强度需求.

除正常工作状态之外，燃油系统还存在呼吸状态，即油箱内压最高和最低状态.一般情况下，普通燃油箱需要承受最高内压为30 kPa，最低为-3 kPa，高于30 kPa或者低于-3 kPa，油箱上的阀门就会自动打开，调节内压.由图7～10可知，油箱本体和绑带的应力最大值均没有超过材料的屈服应力，即24和320 MPa；而z方向的变形量和绑带等效塑性应变均超过试验标准范围，但由于这一工况属于极限情况，z方向变形量偏大可以接受，可以考虑改变绑带外形，采用中部加强筋的绑带结构降低绑带在极限工况下产生的塑性变形.

4结论

运用Abaqus模拟汽车塑料燃油系统在不同工况下的结构强度，得出以下结论.（1）在正常工作状态，燃油箱内压为6 kPa时，油箱底部下沉量以及油箱和绑带的应力最大值都满足设计要求.（2）在燃油箱内部极限高压30 kPa下，油箱和绑带的最大应力都小于材料屈服应力，满足要求；油箱底部下沉量虽然较大，但考虑到是极限情况，可以接受；绑带塑性应变高于相关试验标准，建议改进钢带结构设计以降低其塑性应变.（3）在燃油箱内压为极限低压-3 kPa时，油箱底部下沉量以及油箱和绑带的应力最大值都满足设计要求.参考文献：

[1]师杨. 塑料油箱评估[J]. 国外塑料， 2004， 22（4）： 26.

[2]刘亮. 汽车塑料油箱发展趋势[J]. 轻型汽车技术， 2006（11）： 3940.

[3]庄茁， 张帆， 岑松， 等. Abaqus非线性有限元分析与实例[M]. 北京： 科学出版社， 2005： 168205.

[4]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 125163.