基于BlowView塑料燃油箱擠出吹塑數(shù)值模擬

趙鵬程，呂昊，陳學宏，李志敏，朱亮

亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚州 225100

0 引言

汽車燃油箱是汽車燃油供給系統(tǒng)的關鍵部件，國家在其強度、安全和環(huán)保等方面有著十分嚴格的要求，塑料燃油箱可充分利用有限的汽車剩余空間，根據(jù)汽車主機廠的需求自由造型，成型簡便，任何復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、預吹、合模、高壓吹、成型等整個成型過程，通過對比模擬結(jié)果與實際結(jié)果的差異，認為模擬結(jié)果可以在前期設計階段預判箱體成型的可行性，識別燃油箱壁厚位置薄弱點，為設計更改提供參考。

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，模具網(wǎng)格數(shù)為107 168個。

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：

(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，描述吹脹過程的控制方程及K-BKZ本構(gòu)方程表達式如下所示。

連續(xù)性方程：

(1)

運動方程：

(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、預吹、合模、高壓吹、冷卻等過程。

2.1 模具參數(shù)設置

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)設置

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

圖3 VWDS曲線

3 模擬結(jié)果與實際產(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，該燃油箱實際質(zhì)量為7 860 g，模擬質(zhì)量為7 973 g，與實際質(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

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

圖4 實際箱體和模擬箱體的飛邊形狀

圖5 實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)，實際飛邊質(zhì)量為3 140 g，模擬飛邊質(zhì)量為3 025 g，與實際質(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

上表面實際和模擬壁厚分布如圖6所示，上表面實際和模擬壁厚對比如圖7所示。

圖6 上表面實際和模擬壁厚分布

圖7 上表面實際和模擬壁厚對比

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，實際壁厚最小值為3.00 mm，最大值為7.48 mm，實際平均壁厚為5.55 mm;通過對比可以看出，上表面模擬壁厚與實際壁厚整體趨勢較一致，模擬平均壁厚比實際平均壁厚僅大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，通過模擬可以預測箱體壁厚分布。

3.2.2 下表面壁厚分布對比

下表面實際和模擬壁厚分布如圖8所示，下表面實際和模擬壁厚對比如圖9所示。

圖8 下表面實際和模擬壁厚分布

圖9 下表面實際和模擬壁厚對比

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，實際壁厚最小值為3.28 mm，最大值為6.82 mm，實際平均壁厚為5.52 mm;通過對比可以看出，下表面模擬壁厚與實際壁厚整體趨勢較一致，模擬平均壁厚比實際平均壁厚小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，將實際工藝參數(shù)作為數(shù)值模擬輸入，通過BlowView軟件可以實現(xiàn)擠出吹塑過程模擬，模擬結(jié)果飛邊尺寸與實際飛邊尺寸較一致，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)果可以在前期設計階段預測油箱壁厚分布，識別壁厚薄弱點位置，評判制造可行性，為設計更改提供建議，提高設計效率。