插電式混合動(dòng)力汽車高壓塑料燃油箱靜強(qiáng)度分析與優(yōu)化

蘇衛(wèi)東，陳學(xué)宏

(亞普汽車部件股份有限公司研究開(kāi)發(fā)中心，江蘇揚(yáng)州 225001)

0 引言

隨著全球環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重，新能源汽車已成為今后汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)因具有良好的實(shí)用性和技術(shù)成熟度，從諸多新能源汽車技術(shù)方案中脫穎而出，并逐步為廣大汽車消費(fèi)者所接受，將會(huì)是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的重點(diǎn)發(fā)展方向[1-3]。

燃油箱系統(tǒng)作為汽車中唯一存儲(chǔ)燃料的安全部件，隨著混合動(dòng)力汽車的推廣和應(yīng)用，其設(shè)計(jì)研究也必然受到影響。由于大部分車主的日常使用中并不經(jīng)常啟動(dòng)PEHV發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油箱中揮發(fā)汽油氣體氧化物會(huì)在碳罐內(nèi)積聚。為了降低碳罐的脫附頻率，減少污染物的排放，需要將燃油蒸氣密封在燃油系統(tǒng)內(nèi)。隨著溫度升高和燃油晃動(dòng)，燃油蒸汽的增加使得油箱內(nèi)部壓力增大，從而需要一種耐高壓油箱[4-5]。為了提高塑料燃油箱的剛度，滿足PHEV燃油箱密閉高壓的功能要求，塑料燃油箱普遍采用雙片吹塑工藝技術(shù)，在塑料燃油箱內(nèi)部設(shè)置若干內(nèi)置立柱來(lái)提高其剛度[6-7]。

因此，確定高壓塑料燃油箱內(nèi)置立柱數(shù)量及其布置位置，是設(shè)計(jì)關(guān)鍵和難點(diǎn)。本文作者采用有限元分析技術(shù)，模擬燃油箱內(nèi)部承受正負(fù)壓力荷載后燃油箱本體的變形，并依據(jù)燃油箱本體變形結(jié)果，確定最優(yōu)燃油箱內(nèi)置立柱布置位置與數(shù)量。

1 有限元模型

1.1 模型組成

該燃油箱模型如圖1(a)所示，包括燃油箱本體、綁帶、減震墊以及若干內(nèi)置立柱。內(nèi)置立柱結(jié)構(gòu)分成兩種： H形立柱，布置于燃油箱泵口位置，如圖1(b)所示；I形立柱，布置在燃油箱非泵口位置，如圖1(c)所示。

圖1 PHEV燃油箱結(jié)構(gòu)組成

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是在有限元分析前對(duì)有限元模型進(jìn)行前期處理，是有限元分析中必不可少的一個(gè)關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響整個(gè)有限元分析的效果。為了確保獲得合格有限元分析結(jié)果，本文作者采用專業(yè)有限元前處理軟件HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，燃油箱本體、綁帶及減震墊網(wǎng)格的平均尺寸為5 mm，內(nèi)置立柱網(wǎng)格的平均尺寸為2 mm。燃油箱本體和綁帶的單元類型為S3/S4殼單元，減震墊通過(guò)剛性單元和軟接觸實(shí)現(xiàn)，其剛性單元類型為RD3/RD4，內(nèi)置立柱選擇4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D4，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 PHEV燃油箱網(wǎng)格模型

1.3 材料屬性

燃油箱本體的材料為HDPE，綁帶材料為ST12，內(nèi)置立柱由HDPE與PPA兩種材料包澆組成。由于燃油箱承受壓力荷載時(shí)的環(huán)境溫度為80 ℃，故需考慮上述材料在80 ℃的力學(xué)性能。3種材料80 ℃時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 3種材料80 ℃時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.4 模型裝配定義

燃油箱本體外表面與綁帶之間定義為硬接觸關(guān)系，內(nèi)置立柱與燃油箱內(nèi)表面之間通過(guò)綁定連接。為了模擬減震墊的效果，在減震墊剛性面與燃油箱本體外表面之間設(shè)置軟接觸，其接觸壓力與壓縮量的關(guān)系如圖4所示。該接觸壓力曲線是通過(guò)將減震墊固定在剛性臺(tái)面上，采用剛性壓塊低速壓縮減震墊，記錄壓塊所受反作用力與壓縮量的關(guān)系。

圖4 減震墊軟接觸曲線

1.5 邊界條件及工況

減震墊剛性面施加固定約束，綁定4個(gè)端面施加4 mm的預(yù)緊位移，位移方向?yàn)殂U直向上。燃油箱施加的荷載工況具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 載荷工況

2 分析結(jié)果及優(yōu)化

2.1 I形內(nèi)置立柱數(shù)量?jī)?yōu)化

為了研究I形內(nèi)置立柱數(shù)量對(duì)燃油箱本體承受正負(fù)內(nèi)壓力荷載時(shí)變形的影響，本文作者進(jìn)行了兩種I形內(nèi)置立柱數(shù)量燃油箱的變形分析，分別為含3根I形內(nèi)置立柱和含4根I形內(nèi)置立柱，其分析模型如圖5所示，燃油箱本體變形云圖及結(jié)果如圖6和圖7所示。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：燃油箱內(nèi)部I形立柱數(shù)量由3增到4后，燃油箱本體的最大變形由26.32 mm降低到18.1 mm，說(shuō)明增加I形內(nèi)置立柱的數(shù)量，可以減少燃油箱本體變形。

圖5 燃油箱分析模型(內(nèi)置I形立柱)

圖6 內(nèi)置I形立柱燃油箱本體變形云圖

圖7 內(nèi)置I形立柱燃油箱本體變形結(jié)果對(duì)比

2.2 H形立柱效果研究

由圖6可知：無(wú)論是在燃油箱內(nèi)部布置3根I形立柱，還是4根I形立柱，燃油箱本體的最大變形均出現(xiàn)在油泵口處。因此，在燃油泵口布置3根H形內(nèi)置立柱，同時(shí)外加2根I形內(nèi)置立柱，如圖8所示，并將其變形模擬結(jié)果與圖5中布置4根I形的燃油箱模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果如圖9和圖10所示。

由上述變形結(jié)果對(duì)比可知，在燃油箱泵口位置布置H形內(nèi)置立柱后，燃油箱本體的變形下降到5.74 mm，有了非常顯著的改善。因此，在燃油箱泵口處H形內(nèi)置立柱，可以有效限制燃油箱本體的變形。

圖8 燃油箱分析模型(內(nèi)置3根H形立柱和2根I形立柱)

圖9 燃油箱本體變形云圖(內(nèi)置3根H形立柱和2根I形立柱)

圖10 燃油箱本體變形結(jié)果(內(nèi)置3

2.3 H形立柱數(shù)量?jī)?yōu)化

為了進(jìn)一步優(yōu)化燃油箱內(nèi)置立柱的布置，本文作者在圖8的基礎(chǔ)上，減少1根H形內(nèi)置立柱，如圖11所示，進(jìn)行燃油箱變形，并與之前未減少H形立柱的燃油箱模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖12和圖13所示。

圖11 燃油箱分析模型(內(nèi)置2根H形立柱和2根I形立柱)

圖12 燃油箱本體變形云圖(內(nèi)置2根H形立柱和2根I形立柱)

圖13 燃油箱本體變形結(jié)果(內(nèi)置2根H形立柱和2根I形立柱)

由上述變形結(jié)果對(duì)比可知，燃油箱泵口位置的H形立柱數(shù)量由3減少到2后，燃油箱本體變形并沒(méi)有顯著變化。因此，燃油箱泵口H形立柱數(shù)量只需要2個(gè)，沒(méi)必要布置3個(gè)。

2.4 內(nèi)置立柱最優(yōu)布置

根據(jù)上述燃油箱變形有限元分析結(jié)果的討論，確定燃油箱內(nèi)置立柱最優(yōu)布置為：

(1)布置2根H形內(nèi)置立柱，對(duì)稱分布在燃油箱泵口兩側(cè)；

(2)為了限制非泵口區(qū)域的燃油箱本體變形，布置3根I形內(nèi)置立柱。具體內(nèi)置立柱分布如圖14所示。

圖14 燃油箱內(nèi)置立柱最優(yōu)布置

3 結(jié)束語(yǔ)

以縮小燃油箱本體變形為目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)為手段，對(duì)塑料燃油箱內(nèi)置立柱的布置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先介紹塑料燃油箱有限元模型的建立，包括網(wǎng)格單元的選擇、材料性能的定義、各組件之間裝配關(guān)系的模擬以及邊界條件及分析工況。最后，運(yùn)用上述有限元模型，對(duì)多種內(nèi)置立柱布置方案的燃油箱進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析，通過(guò)對(duì)比不同內(nèi)置立柱布置方案的燃油箱本體變形，確定最優(yōu)內(nèi)置立柱布置方案。