基于Abaqus的燃油箱跌落模拟

ABAQUS使用技巧

基于Abaqus的燃油箱跌落模拟

陈学宏

（亚普汽车部件有限公司，江苏扬州225009）

摘要：为了能够在产品设计阶段，就预测出燃油箱跌落时破坏位置，对结构优化及后续工艺调试提供指导，从而最大程度上确保通过跌落实验。本文利用Abaqus软件使用状态方程模拟内部气体和液体，进而完成整个跌落模拟。通过与实验结果进行对比，验证了该方法精度的可靠性。

关键词：状态方程，流固耦合，燃油箱，跌落模拟

Droppingsimulation of fuel tank with Abaqus

Chen Xuehong

YAPP Automotive Parts Co. , Ltd. Jiangsu Yangzhou 225009, China

Abstract: To forecast destruction of tank due to drop in phase of design, give some suggestion for structure optimization and technics debugging, make sure passing dropping test as soon as possibly. This paper applies equation of state to simulate inner gas and liquid, and achieve whole dropping simulation. By comparing experimental date, proves validity of this method.

Key words: equation of state, fluid-structure coupled, fuel tank, dropping simulation

1.引言

汽车燃油箱是车上唯一储存燃油的地方，是车上重要的功能与安全部件，它必须牢固、密封、耐冲击。跌落实验是检验燃油箱产品是否合格的重要手段，相应的国家规范以及各个汽车生产商都明确了跌落实验要求[1、2、3]。因此，利用目前日益成熟的CAE技术，在燃油箱设计阶段进行跌落模拟，预测出燃油箱可能破坏的区域和结构，为结构的优化及后续的工艺调试提供指导，从而最大程度地确保燃油箱通过跌落实验，就显的非常有必要和意义

[1、2、3]。

与一般的跌落模拟相比，燃油箱跌落模拟的特殊性在于，其内部密封液体和气体，其跌落过程中会有很复杂气、液、固三相耦合作用。因此，正确模拟出气、液、固三相耦合作用是整个模拟的关键所在。采用CFD与FEA结合的方法，固然能够很好地解决上述三相耦合，但其需要非常高昂的计算机资源，实际操作也非常复杂。考虑到在跌落中我们只对燃油箱本体感兴趣，完全没有必要精确考虑内部的气体和液体运动形态，只需要考虑气体和液体对油箱内壁的压力即可。Abaqus软件的状态方程方法侧可以非常方便的实现上述设想，而Abaqus本身强大的非线性求解能力，同时也保证了跌落过程中各种复杂的接触问题，能够得到精确求解[6]。

2.状态方程原理

2.1能量方程及Hugonio曲线

对于封闭系统，其内能的增加等于应力所做功与增加热能的总和。在绝热条件下，能量方程可写成如下形式

[4]：

Em1 (1) Q (p pbv) S:e t t

其中： 为密度，Em为单位质量内能，p为压力（压缩为正），pbv为由于体粘性产生的压力，S为偏应力张量，

为单位质量比热率。公式（1）假设压力只与物质当前密度和内能有关，因此可以简写成如 为偏应变率张量，Qe

下形式：

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p f( ,Em) (2)

上述公式中内能可以消去，这样就得到了p与V之间的对应关系（V为物质当前体积），或者p与 之间的对应关系。这些对应关系对于每一种用状态方程模拟的物质都是唯一，这种唯一的对应关系称为Hugonio曲线，一种典型的Hugonio曲线如图1所示：

图1 Hugonio曲线示意图

Figure 1 A schematic representation of a Hugoniot curve

其中：pH为Hugonio压力只与密度有关，可以通过经验数据近似得到。

2.2Mie-Grüneisen 状态方程

Mie-Grüneisen 状态方程最常用形式如下[5]：

p pH (Em EH) (3)

其中：PH与EH为Hugonio压力和能量（单位质量），只与密度有关。 为Grüneisen 比率，其定义如下：

0

其中： 0材料常数， 0名义密度。 (4)

Hugonio能量EH可通过Hugonio压力PH进行定义：

EH pH

2 0 (5)其中： 1 0 为名义体压缩应变。消去公式（3）中 和EH得到：

p pH(1

关于PH，一个广泛适用的经验公式如下： 0 0 0Em (6)2

PH 0c02

(1

s )2 (7)

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将公式（7）代入公式（6）中得到公式如下：

P 0c02

(1 s )(1 0 0 0Em (8)2

这样就得到了物质压力的显式表达式，该公式适用于模拟水、燃油等液体物质。

2.3理想气体状态方程

公式（8）适用于液体材料，而模拟油箱内部气体，还需要利用理想气体状态方程：

p pA RT (9)

其中：pA为环境压力，R为气体常数，T为当前绝对温度。

理想气体的一个显著特点在于其内能只依赖于温度。因此，其内能可通过以下数值积分得到：

Em Em0 cv(T)dT (10)T0T

其中：Em0为在初始温度T0时的初始内能，cv为比热。

综上所述，在Abaqus软件中使用状态方程模拟液体，只需要设置参数： 0、c0、s、 0即可；而模拟气体，只需要设置参数： 0、pA、R、cv、T即可。

3.工程实例

为了验证上述模拟方法的正确性，本文使用上述方法对一种典型结构的燃油箱进行跌落模拟，并与实验结果进行对比。

3.1分析模型

分别使用壳单元、实体单元、刚性单元建立燃油箱模型、气体模型、液体模型、刚性地面模型，并将它们根据实验实际情况进行装配，如图2～6。

图2 燃油箱模型 图3 气体模型 图4 液体模型

Figure 2 Model of fuel tank Figure 3 Model of gas

Figure 4 Model of liquid

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图5 刚性地面模型 图6 装配模型

Figure 5 Model of rigid floor Figure 6 Model of assembly

使用上文的状态方程方法设置气体模型及液体模型，而对燃油箱模型、刚性面的设置以及整个装配模型的荷载工况、边界条件、各个部件之间的接触关系设置，均与一般类型的跌落模拟相同，这里就不再一一详细说明。

3.2结果分析

图7、图8分别表示燃油箱反弹刚刚离开地面时的Mises应力分布图、等效塑性应变分布图，图9则燃油箱跌落实验中实际破坏图。

图7 Mises应力分布图 图8等效塑性应变分布图

Figure 7 Von-Mises Stress contour plot Figure 8 PEEQ contour plot

图9 跌落实验实际破坏图

Figure 9 result of dropping test

从上述图中可以看出，燃油箱反弹刚刚离开地面时刻，燃油箱本体上的最大Mises应力及最大等效塑性应变出现区域与跌落实验中燃油箱实际破坏区域非常吻合。

4.结论

本文针对部分充满液体的密封燃油箱跌落模拟问题，抛弃了常规的CFD+FEM模拟方法，采用状态方程的方法近似模拟内部气体与液体。通过对工程中典型燃油箱进行模拟，并与实际跌落实验结果进行对比，证明了该方法的模拟精度是有保证的。而该方法对计算机资源需求低以及操作上的便宜，使该方法与常规的CFD+FEM

模拟方法

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相对，更具有实用性和经济性。

参考文献

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

[2] 杨有为．油箱使用新概念[J]．成都：实用汽车技术，2004,2(1)

[3] 师 杨．塑料油箱评估[J]．北京：国外塑料，2004,4(27)

[4] 刘福生，洪德贵，周雪芬．碳水混合物冲击压缩特性的理论研究[J]．绵阳：高压物理学报，2002,3(1)

[5] 柏劲松．可压缩多介质流体动力学高精度欧拉算法[J]．绵阳：高压物理学报，2002,3（1）

[6] Abaqus Analysis User’s Manual

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c8zm.html