基于ABAQUS有限元模擬的油箱支架強度分析

2023年12月31日發(作者：物聯網工程專業)

10.16638/.1671-7988.2019.20.018

基于ABAQUS有限元模擬的油箱支架強度分析

王靜，劉俊，趙莉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：文章基于ABAQUS建立了某重卡車油箱總成的有限元模型，旨在改善油箱的有限元建模方法，提高油箱支架的仿真精度。通過精細化建模，確保網格質量的同時，對橡膠墊塊引入Mooney-Rivlin本構模型，對比不同接觸類型的建模方法對油箱支架應力結果的影響。

關鍵詞：油箱支架；ABAQUS；橡膠；接觸；螺栓預緊力

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988(2019)20-48-03

Strength Analysis of Fuel Tank Bracket Bad on ABAQUS Finite Element Simulation

Wang Jing, Liu Jun, Zhao Li

( Shaanxi Heavy-duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract: A finite element model for a truckfueltank bad on ABAQUS is built. The purpo of this paper is to improve the

modeling method of fuel tank, which can improve the simulation precisionoffuel tank bracket. Through fine modeling, the

Mooney-Rivlin constitutive model is introduced to the rubber pad while ensuring the mesh quality. By fine modeling, the

effects of different contact type modeling methods on the stress results of fuel tank are compared.

Keywords: Fuel Tank Bracket; ABAQUS; Rubber; Contact; Bolt pretightening force

CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)20-48-03

工況油箱支架結構拓撲優化，使用GAP單元模擬油箱、緊固1 前言

隨著重卡市場的發展，燃油系統作為重要的供給系統，對汽車的動力及安全性起著極其重要的作用，是我國檢驗汽車的強制性指標之一。油箱支架是箱體的承載部件，油箱支架的可靠性驗證是制造商非常重視的問題，也是眾多學者及CAE分析工作者研究的課題之一。例如王慶超在燃油箱支架開裂原因分析及修復中認為焊接質量不良和焊縫強度不足可能是燃油箱支架開裂的重要原因；呂若塵[2]在商用車油箱支架的有限元分析及優化中采用HyperWorks軟件分析了四種工況下的油箱支架的靜強度，并設計支架優化方案進行應力對比；于泉泉[3]采用ANSYS對變壓器油箱在抽真空條件下的結構強度進行仿真；石怡坤[4]主要以靜剛度特性考慮多作者簡介：王靜（1987-），女，產品設計師，中級工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事CAE仿真設計。

[1]帶和支架之間的接觸關系。

關于油箱支架的分析方法很多，但對于油箱、支架、橡膠、緊固帶之間的接觸或不考慮，或進行線性分析，顯然增大了誤差概率，降低了仿真精度。眾所周知，接觸分析是一種典型的非線性分析，而ABAQUS被稱為“國際上最先進的大型通用非線性有限元分析軟件”[5]。因此本文采用ABAQUS軟件，以某重型卡車的油箱系統為例，對油箱支架處緊固帶、橡膠及油箱本體之間采用不同接觸類型的建模方法進行對比分析，旨在改善油箱的有限元建模方法，提高油箱支架仿真結果的精度。

2 建立有限元模型

2.1 模型參數

某重型卡車的油箱系統由π型支架、L型支架、拉帶、48

王靜 等：基于ABAQUS有限元模擬的油箱支架強度分析

箱體、橡膠墊塊等組成。建模過程中統一網格尺寸，鈑金件基本單元尺寸為10mm，鑄件基本單元尺寸5mm。橡膠采用實體單元（C3D8H）模擬，鈑金件采用殼單元（S4R）模擬，4 結果對比及討論

4.1 方案一計算結果分析

橡膠墊塊引入Mooney-Rivlin本構模型，具體參數見表1、表2所示。

表1 油箱系統模型參數

表2 橡膠硬度與Mooney-Rivlin參數

2.2 接觸設置

油箱系統的建模過程中，包含多個接觸對，其中包括有π型支架和L型支架之間的接觸，緊固帶和橡膠的接觸、箱體和橡膠的接觸、L型支架和橡膠的接觸。橡膠一側與箱體接觸，另外一側與緊固帶和L型支架接觸。

2.3 加載條件

在汽車坐標系中，x負方向為汽車行駛方向，y正方向指向汽車右側，z正向指向汽車上方。油箱系統和車架縱梁連接，全約束縱梁兩端（如圖1），計算垂向工況，轉彎工況，制動工況。

圖1 油箱系統有限元模型

3 方案介紹

3.1 建模方案一

方案一油箱系統建模中，油箱緊固帶處不施加螺栓預緊力，π型支架和L型支架之間不建立接觸；橡膠與緊固帶、橡膠與L型支架、橡膠與箱體之間均采用共節點的方式，即綁定式接觸。

3.2 建模方案二

方案二油箱系統建模中，油箱緊固帶處施加螺栓預緊力10KN，π型支架和L型支架之間建立接觸，接觸類型選用有限滑移，接觸屬性的法向設定為硬接觸，切向選取庫倫摩擦，摩擦系數0.15；橡膠與緊固帶、橡膠與L型支架同方案一相同，采用綁定接觸。箱體和橡膠之間的接觸采用有限滑移接觸，接觸屬性設置為硬接觸，切向選取庫倫摩擦，摩擦系數0.85。

L型支架三種工況下應力計算計算結果（如圖2），垂向工況下最大應力899.3MPa，集中在第四個螺栓孔周圍；轉彎工況最大應力為393.7MPa；制動工況最大應力為284.4MPa。由于π型支架和L型支架之間沒有做接觸導致螺栓孔周圍應力集中，特別是在垂向工況下很明顯。三種工況下，L型支架下部分最大應力都不超過100MPa，根據力學分析此結果是不合理的。

圖2 方案一油箱L型支架垂向工況、轉彎工況、

制動工況應力結果

4.2 方案二計算結果分析

L 型支架三種工況下應力計算結果（如圖3），垂向工況最大應力582.3MPa，轉彎工況最大應力304.6MPa，制動工況最大應力310.0MPa。三種工況下π型支架和L型支架之間建立有限滑移接觸，L型支架上部分應力比不建立接觸降低很多，孔周圍沒有應力集中。L型支架下部分最大應力在300MPa左右，位置靠近施加螺栓預緊力的孔周圍。在轉彎和制動工況可以看出，螺栓預緊力的對L型支架下部分影響很大，大于摩擦力的影響。

圖3 方案二油箱L型支架垂向工況、轉彎工況、

制動工況應力結果

4.3 結果對比列表

表3 L型支架兩種方案應力結果對比

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汽車實用技術

5 結論

通過對油箱系統進行精細化建模，采用Mooney-Rivlin本構來代替常規各向同性本構對橡膠的模擬，對比仿真結果可以得出：

（1）油箱緊固帶處螺栓預緊力對L型支架應力分布影響很大。

（2）π型支架和L型支架接觸部分必須建立接觸，否則在兩個支架連接螺栓孔的周圍易引起應力集中。

（3）油箱和緊固帶之間不應采用綁定，否則會造成緊固帶處螺栓預緊力失效，導致L型支架應力結果有誤。

（4）在模擬實際接觸行為時，不要輕易的采用綁定接觸，綁定很容易改變整體結構的應力分布形勢，需要多做對

比分析，選取最合理的簡化方式。

參考文獻

[1] 王慶超,劉文忠,李來平.燃油箱支架開裂原因分析及修復[J].焊接技術,2016,45(12).

[2] 呂若塵,任工昌.商用車油箱支架的有限元分析及優化[J].制造業自動化,2014,(14).

[3] 于泉泉,王永剛,徐蓮環.基于ANSYS的典型變壓器油箱結構強度分析[A].第九屆全國變壓器技術學術年會論文集[C].2013.

[4] 石怡坤,王顯會,師晨光,魏然.考慮多工況油箱支架結構拓撲優化研究[J].機械制造與自動化,2017,46(4).

[5] 石亦平,周玉蓉. ABAQUS有限元分析實例詳解[M].機械工業出版社.

（上接第45頁）

與試驗偏差約2.3%，但塑性應變結果與實體單元相比略小，可以滿足仿真需求。

擇合理的建模方法和模型參數，確保仿真結果的準確性。

（1）選擇合理的實體單元類型可以有效的模擬壓潰過程，且最大壓潰力與試驗結果吻合度較高，縮減積分的使用可以有效的避免剪切自鎖，但需要更高的網格密度；

（2）細化的殼網格塑性應變結果與實體網格結果趨勢一致，且殼單元塑性應變結果略小；殼單元剛度與實體網格剛度存在定量差異，且殼網格剛度略小于實體網格剛度；

（3）提高加載速率，可以有效的減小計算時間，速率越高，壓潰力越大，但過高的加載速率易引起結果失真，合理

圖9 400mm剛度

的加載速率需要結合模型結構和材料應變率等來確定。

參考文獻

[1] 王志文.汽車輕量化發展現狀初探[J].汽車工藝與材料,2009(2):

1-6.

[2] 胡志遠,曾必強,謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安

圖10 400mm塑性應變

全仿真與分析[M].北京:清華大學出版社,2011.

[3] LS-DYNA Keyword Ur's Manual,Version 971,Livermore Software

Technology Corporation(LSTC),2007.

[4] 王青春,范子杰.利用LS-DYNA計算結構準靜態壓潰的改進方法[J].力學與實踐,2003,25(3):20-23.

3 結論

本文的目的是仿真截面徑向壓潰力，對照試驗結果，選

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