汽車油箱是車輛唯一儲(chǔ)油處，肩負(fù)著重要功能與安全責(zé)任，因此必須牢固、密封、抗沖擊。跌落實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)油箱產(chǎn)品是否達(dá)標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，符合相關(guān)國(guó)家規(guī)范以及各大汽車制造商的跌落實(shí)驗(yàn)要求。

使用先進(jìn)的CAE技術(shù)，在燃油箱設(shè)計(jì)階段進(jìn)行跌落模擬，預(yù)測(cè)可能破壞的區(qū)域和結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及后續(xù)工藝調(diào)試提供指導(dǎo)，以最大程度地確保燃油箱通過(guò)跌落實(shí)驗(yàn)，顯得尤為重要且具有實(shí)際意義。

相較于一般跌落模擬，燃油箱跌落模擬的獨(dú)特之處在于其內(nèi)部密封的液體和氣體，導(dǎo)致跌落過(guò)程中存在復(fù)雜的氣、液、固三相耦合作用。因此，準(zhǔn)確模擬氣、液、固三相耦合作用是整個(gè)模擬的核心。雖然使用CFD與FEA結(jié)合的方法能夠很好地解決上述三相耦合，但需要大量計(jì)算機(jī)資源和復(fù)雜的實(shí)際操作。

在跌落過(guò)程中，我們只對(duì)燃油箱本體的運(yùn)動(dòng)感興趣，因此無(wú)需精確考慮內(nèi)部氣體和液體的動(dòng)態(tài)。只需考慮氣體和液體對(duì)油箱內(nèi)壁的壓力。Abaqus軟件的狀態(tài)方程方法可以方便地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。同時(shí)，Abaqus強(qiáng)大的非線性求解能力能夠精確求解跌落過(guò)程中各種復(fù)雜的接觸問(wèn)題。

分別使用殼單元、實(shí)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(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況進(jìn)行裝配，如圖 2～6。

圖 1 燃油箱模型

圖 2 氣體模型

圖 3 液體模型

圖 4 剛性地面模型

圖 6 裝配模型

用狀態(tài)方程方法構(gòu)建氣體和液體模型，設(shè)置燃油箱和剛性面等同一般跌落模擬，邊界條件、荷載工況和接觸關(guān)系亦照此，詳情略。

圖 7、圖 8 分別表示燃油箱反彈剛剛離開(kāi)地面時(shí)的 Mises 應(yīng)力分布圖、等效塑性應(yīng)變分布圖，圖 9 則燃油箱跌落實(shí)驗(yàn)中實(shí)際破壞圖。

圖 7 Mises 應(yīng)力分布圖

圖 8 等效塑性應(yīng)變分布圖

圖 9 跌落實(shí)驗(yàn)實(shí)際破壞圖

如圖所示，燃油箱在剛剛離地時(shí)，最大Mises應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)的區(qū)域，與實(shí)際跌落實(shí)驗(yàn)中燃油箱的破壞區(qū)域完全一致。

本文研究了液體密封燃油箱跌落模擬問(wèn)題，采用了狀態(tài)方程方法來(lái)近似模擬內(nèi)部氣體與液體。通過(guò)對(duì)典型燃油箱進(jìn)行模擬，并將結(jié)果與實(shí)際跌落實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了該方法的精確度。此外，該方法對(duì)計(jì)算機(jī)資源需求較低，操作方便，相較于傳統(tǒng)的CFD+FEM模擬方法更具實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。