基于ABAQUS有限元模拟的油箱支架强度分析

2023年12月31日发(作者：物联网工程专业)

10.16638/.1671-7988.2019.20.018

基于ABAQUS有限元模拟的油箱支架强度分析

王静，刘俊，赵莉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

摘 要：文章基于ABAQUS建立了某重卡车油箱总成的有限元模型，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。通过精细化建模，确保网格质量的同时，对橡胶垫块引入Mooney-Rivlin本构模型，对比不同接触类型的建模方法对油箱支架应力结果的影响。

关键词：油箱支架；ABAQUS；橡胶；接触；螺栓预紧力

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：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

工况油箱支架结构拓扑优化，使用GAP单元模拟油箱、紧固1 前言

随着重卡市场的发展，燃油系统作为重要的供给系统，对汽车的动力及安全性起着极其重要的作用，是我国检验汽车的强制性指标之一。油箱支架是箱体的承载部件，油箱支架的可靠性验证是制造商非常重视的问题，也是众多学者及CAE分析工作者研究的课题之一。例如王庆超在燃油箱支架开裂原因分析及修复中认为焊接质量不良和焊缝强度不足可能是燃油箱支架开裂的重要原因；吕若尘[2]在商用车油箱支架的有限元分析及优化中采用HyperWorks软件分析了四种工况下的油箱支架的静强度，并设计支架优化方案进行应力对比；于泉泉[3]采用ANSYS对变压器油箱在抽真空条件下的结构强度进行仿真；石怡坤[4]主要以静刚度特性考虑多作者简介：王静（1987-），女，产品设计师，中级工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，从事CAE仿真设计。

[1]带和支架之间的接触关系。

关于油箱支架的分析方法很多，但对于油箱、支架、橡胶、紧固带之间的接触或不考虑，或进行线性分析，显然增大了误差概率，降低了仿真精度。众所周知，接触分析是一种典型的非线性分析，而ABAQUS被称为“国际上最先进的大型通用非线性有限元分析软件”[5]。因此本文采用ABAQUS软件，以某重型卡车的油箱系统为例，对油箱支架处紧固带、橡胶及油箱本体之间采用不同接触类型的建模方法进行对比分析，旨在改善油箱的有限元建模方法，提高油箱支架仿真结果的精度。

2 建立有限元模型

2.1 模型参数

某重型卡车的油箱系统由π型支架、L型支架、拉带、48

王静 等：基于ABAQUS有限元模拟的油箱支架强度分析

箱体、橡胶垫块等组成。建模过程中统一网格尺寸，钣金件基本单元尺寸为10mm，铸件基本单元尺寸5mm。橡胶采用实体单元（C3D8H）模拟，钣金件采用壳单元（S4R）模拟，4 结果对比及讨论

4.1 方案一计算结果分析

橡胶垫块引入Mooney-Rivlin本构模型，具体参数见表1、表2所示。

表1 油箱系统模型参数

表2 橡胶硬度与Mooney-Rivlin参数

2.2 接触设置

油箱系统的建模过程中，包含多个接触对，其中包括有π型支架和L型支架之间的接触，紧固带和橡胶的接触、箱体和橡胶的接触、L型支架和橡胶的接触。橡胶一侧与箱体接触，另外一侧与紧固带和L型支架接触。

2.3 加载条件

在汽车坐标系中，x负方向为汽车行驶方向，y正方向指向汽车右侧，z正向指向汽车上方。油箱系统和车架纵梁连接，全约束纵梁两端（如图1），计算垂向工况，转弯工况，制动工况。

图1 油箱系统有限元模型

3 方案介绍

3.1 建模方案一

方案一油箱系统建模中，油箱紧固带处不施加螺栓预紧力，π型支架和L型支架之间不建立接触；橡胶与紧固带、橡胶与L型支架、橡胶与箱体之间均采用共节点的方式，即绑定式接触。

3.2 建模方案二

方案二油箱系统建模中，油箱紧固带处施加螺栓预紧力10KN，π型支架和L型支架之间建立接触，接触类型选用有限滑移，接触属性的法向设定为硬接触，切向选取库伦摩擦，摩擦系数0.15；橡胶与紧固带、橡胶与L型支架同方案一相同，采用绑定接触。箱体和橡胶之间的接触采用有限滑移接触，接触属性设置为硬接触，切向选取库伦摩擦，摩擦系数0.85。

L型支架三种工况下应力计算计算结果（如图2），垂向工况下最大应力899.3MPa，集中在第四个螺栓孔周围；转弯工况最大应力为393.7MPa；制动工况最大应力为284.4MPa。由于π型支架和L型支架之间没有做接触导致螺栓孔周围应力集中，特别是在垂向工况下很明显。三种工况下，L型支架下部分最大应力都不超过100MPa，根据力学分析此结果是不合理的。

图2 方案一油箱L型支架垂向工况、转弯工况、

制动工况应力结果

4.2 方案二计算结果分析

L 型支架三种工况下应力计算结果（如图3），垂向工况最大应力582.3MPa，转弯工况最大应力304.6MPa，制动工况最大应力310.0MPa。三种工况下π型支架和L型支架之间建立有限滑移接触，L型支架上部分应力比不建立接触降低很多，孔周围没有应力集中。L型支架下部分最大应力在300MPa左右，位置靠近施加螺栓预紧力的孔周围。在转弯和制动工况可以看出，螺栓预紧力的对L型支架下部分影响很大，大于摩擦力的影响。

图3 方案二油箱L型支架垂向工况、转弯工况、

制动工况应力结果

4.3 结果对比列表

表3 L型支架两种方案应力结果对比

49

汽车实用技术

5 结论

通过对油箱系统进行精细化建模，采用Mooney-Rivlin本构来代替常规各向同性本构对橡胶的模拟，对比仿真结果可以得出：

（1）油箱紧固带处螺栓预紧力对L型支架应力分布影响很大。

（2）π型支架和L型支架接触部分必须建立接触，否则在两个支架连接螺栓孔的周围易引起应力集中。

（3）油箱和紧固带之间不应采用绑定，否则会造成紧固带处螺栓预紧力失效，导致L型支架应力结果有误。

（4）在模拟实际接触行为时，不要轻易的采用绑定接触，绑定很容易改变整体结构的应力分布形势，需要多做对

比分析，选取最合理的简化方式。

参考文献

[1] 王庆超,刘文忠,李来平.燃油箱支架开裂原因分析及修复[J].焊接技术,2016,45(12).

[2] 吕若尘,任工昌.商用车油箱支架的有限元分析及优化[J].制造业自动化,2014,(14).

[3] 于泉泉,王永刚,徐莲环.基于ANSYS的典型变压器油箱结构强度分析[A].第九届全国变压器技术学术年会论文集[C].2013.

[4] 石怡坤,王显会,师晨光,魏然.考虑多工况油箱支架结构拓扑优化研究[J].机械制造与自动化,2017,46(4).

[5] 石亦平,周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社.

（上接第45页）

与试验偏差约2.3%，但塑性应变结果与实体单元相比略小，可以满足仿真需求。

择合理的建模方法和模型参数，确保仿真结果的准确性。

（1）选择合理的实体单元类型可以有效的模拟压溃过程，且最大压溃力与试验结果吻合度较高，缩减积分的使用可以有效的避免剪切自锁，但需要更高的网格密度；

（2）细化的壳网格塑性应变结果与实体网格结果趋势一致，且壳单元塑性应变结果略小；壳单元刚度与实体网格刚度存在定量差异，且壳网格刚度略小于实体网格刚度；

（3）提高加载速率，可以有效的减小计算时间，速率越高，压溃力越大，但过高的加载速率易引起结果失真，合理

图9 400mm刚度

的加载速率需要结合模型结构和材料应变率等来确定。

参考文献

[1] 王志文.汽车轻量化发展现状初探[J].汽车工艺与材料,2009(2):

1-6.

[2] 胡志远,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安

图10 400mm塑性应变

全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社,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计算结构准静态压溃的改进方法[J].力学与实践,2003,25(3):20-23.

3 结论

本文的目的是仿真截面径向压溃力，对照试验结果，选

50