（车辆工程专业论文）汽车燃油箱结构设计及成形质量控制研究.pdf

中文摘要 摘要 汽车燃油箱是燃油供给系统的关键部件，传统的生产厂家采用试制一试验一 修改一再试制一再试验的设计流程，工程师凭经验设计产品，通过样件检测性能、 校核法规。这样，一个产品从概念设计到批量生产，往往需要多次样件的试制和 漫长的设计修改过程，造成人财物以及时间的大量消耗。随着我国汽车工业的飞 速发展，新车型推出的速度越来越快，传统的设计方法已经不能满足产品更新换 代的快速响应要求。 本文在c v 9 汽车的开发过程中，利用现代c a d c a e 技术，对c v 9 汽车燃油 箱进行了结构设计，并按照国标和企业标准对汽车燃油箱振动耐久性试验进行了 仿真模拟和结构强度及疲劳寿命分析，在探讨薄板成形仿真参数设置的基础上， 实现了c v 9 汽车燃油箱的冲压成形过程模拟，从而确保了c v 9 油箱设计满足结构 强度要求和冲压工艺要求，并提出了相关成形质量控制措施。 首先本文在满足容积要求和装配要求的条件下，利用三维绘图平台u g 设计 了c v 9 汽车燃油箱外形结构。然后采用f l u i d 8 0 、s o l i d 9 5 和s h e l l 6 3 单元建立了 c v 9 汽车燃油箱流一固耦合振动耐久性试验有限元模型，按国标和企业标准的试验 规范对该油箱进行了强度分析和疲劳寿命预测，并通过与6 3 5 0 汽车燃油箱在同样 边界条件下分析结果的对比，进一步评价和考核了c v 9 汽车燃油箱的结构强度和 疲劳寿命。 第三，本文利用非线性弹塑性大变形有限元分析技术，以一桶形零件冲压模 拟，从能量与变形模式的角度探讨了薄板成形模拟中冲模加载速度问题，认为当 模具加载速度不超过1 0 m s 时，既可队显著提高计算效率又不至于带来过大的惯 性效应影响。通过对比分折6 3 5 0 汽车燃油箱的冲压成形过程确定了坯料与模具间 的摩擦系数。在此基础上实现了对c v 9 汽车燃油箱的成形过程数值模拟，发现了 结构设计中的不足，进行了改进和验证模拟，并通过优化拉延筋、压边力等措施 成功实现了对其成形质量的控制。 最后，本文尝试了a l b 有限元算法在充液燃油箱流一固耦合分析中的应用，建 立了c v 9 汽车燃油箱a l e 流一固耦合有限元模型，但由于计算机硬件条件的限制 仅进行了部分求解。因而，a l e 有限元算法应用于三维流一固耦合分析，必须以高 性能计算机作为硬件基础。 关键词：燃油箱，c a d c a e 技术，a l e 有限元方法，冲压成形模拟，流固耦合 英文摘要 a b s t r a c t f u e lt a n ki so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h ef u e l s u p p l ys y s t e mi n a u t o m o b i l e t r a d i t i o n a l l y , t h ed e s i g nf l o wo f af u e lt a n kf o l l o w st h ec o u r s eo ft r i a l p r o d u c i n g t e s t r e f i n i n g r e t r i a l a n dr e - t e s t e n g i n e e r sd e s i g n t h e p r o d u c t a c c o r d i n gt o m e i re x p e r i e n c e s a n dc h e c k o u tt h ep e r f o r m a n c eb yt h ep r o t o t y p et e s t t h u s ，an e wt y p em u s tg ot h r o u g hs e v e r a lr o u n d so f m o d i f i c a t i o na n dl o n g t i m er e f i n i n g ， t h i sa l w a y sl e a dt oa h i g hf i n a n c i a lp r e s s u r ea n dw a s t e o ft i m e w i t ht h eh i 曲s p e e do f t h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r y , t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dc a nn o l o n g e rs a t i s f yt h eq u i c k l yr e s p o n d i n gr e q u i r e m e n to f t h e m a r k e t t h em a i ni d e ao ft h i sp a p e ri st ou t i l i z et h em o d e mc a d c a e t e c h n i q u e t od e s i g n am e t a lf u e lt a n kf u ran e w l y d e v e l o p e dc a r c v 9a ti t sd e s i g ns t a g e a f t e rs e t t l et h e g e o m e t r i cs t r u c t u r eo ft h ef u e lt a n k ，w es i m u l a t e dt h ev i b r a t i o nt e s ta c c o r d i n gt ot h e s t a t es t a n d a r da n dt h ec o m p a n ys t a n d a r dt om a k es u r et h a ti th a se n o u g hi n t e n s i t ya n d f a t i g u el i f e b a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h ef o r m i n gp a r a m e t e r sw ec a r r i e do u tt h e s i m u l a t i o no ft h e f o r m i n gp r o c e s so ft h ef u e l t a n kt om a k es u r ei t sm a n u f a c t u r e f e a s i b i l i t y s o m ec o n t r o lm e t h o d s w e r ea l s o p u tf o r w a r d t ol 2 s d l et h ef o r m i n g q u a l i t yo f t h ef u e lt a n k f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ev o l u m er e q u i r e m e n ta n dt h ef u l l c a rc o n f i g u r a t i o nt h e a u t h o rd e s i g n e dt h eg e o m e t r yo f c v 9f u e lt a n k u s i n g 3 ds o 盘 w a r eu g s e c o n d l y ，t h e a n t h o rb u i i tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf u r t h ef l u i ds t r u c t u r e i n t e r a c t i o nv i b r a t i o nt e s tu s i n gf l u i d 8 0 ，s o l i d 9 5a n ds h e l l 6 3e l e m e n t s t h ei n t e n s i t y a n a l y s i sa n dt h ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o nw e r ea l s oc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h es t a t e s t a n d a r da n dt h ec o m p a n ys t a n d a r d f u r t h e re v a l u a t i o no ft h ei n t e n s i t ya n dt h ef a t i g u e l i f ew a s b r o u g h tf o r w a r db a s e d o nt h ec o m p a r i s o nw i t ht h e6 3 5 0f u e lt a n k t h i r d l y , t h ef o r m i n gp r o c e s ss i m u l a t i o no fc v 9f u e l t a n kw a sc a r r i e do u t ，t h e d e f e c t so ft h eo r i g i n a l d e s i g nw a sr e v e a l e da n dr e f i n e m e n t s ，s u c ha so p t i m i z i n gt h e d r a w b e a da n d b i n d i n gf o r c e ，w e r ea d o p t e d t oa v o i ds p l i t t i n ga n d w r i n k l i n g d u r i n gt h i s r e s e a r c ht h er e a s o n a b l ea r t i f i c i a lm o u l ds p e e dw a sd i s c u s s e du s i n gab a r r e lf o r m i n g s i m u l a t i o n , c o n s i d e r i n gt h ee n e r g ya n dt h ed e f o r m a t i o nt y p e ，t h ea u t h o rc o m et ot h e c o n c l u s i o nt h a tt h em o u l d s p e e ds h o u l dn o te x c e e d1o m s ，o rt h ee x c e s s i v ei n e r t i ae f f e c t w i l ll e a dt oa l l i m p r o p e rr e s u l t t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e nt h eb l a n ka n dt h e m o u l d sw e r ea l s os t u d i e d b yt h ec o m p a r i n ga n a l y s i so f6 3 5 0f u e lt a n k i i i 重庆大学硕士学位论文 f i n a l l y , t h ea u t h o ra l s o d i ds o m er e s e a r c hw o r ki nh o wt ou s ea l e ( a r b i t r a r y l a g r a n g i a n e u l e rm e t h o d ) f i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o s o l v ef l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ( f s i ) p r o b l e m t h em o d e lf o rf s ia n a l y s i so f c v 9f u e lt a n kw a sb u i l t ，b u to n l yp a r t i a l c a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u tw i t ht h el i m i to ft h ep o o rh a r d w a r e s o ，t h eh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e ri st h ef o u n d a t i o no f t h ea p p l i c a t i o no fa l em e t h o di n3 df s i p r o b l e m s k e y w o r d s ：f u e lt a n k ，c a d c a et e c h n i q u e ，a l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f o r m i n g p r o c e s ss i m u l a t i o n ，f s i 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的学术价值和实用意义 汽车燃油箱是汽车燃油供给系统的关键部件，国家对其安全、环保等方面都 有着严格的要求。随着现代轿车的结构布置越来越紧凑，为了能充分利用有限的 机械空间，轿车燃油箱的外形往往十分复杂，传统的油箱生产厂家采用手工敲制 样件试验一修改一再试制一再试验的设计流程，一个新油箱从定性到批量生产， 往往需要多次样件的试制和漫长的设计修改过程，造成人财物以及时间的大量消 耗。随着我国汽车工业的飞速发展，新车型推出的速度越来越快，传统的产品开 发模式设计周期长、成本高、资源消耗大，很难满足现代快速变化的市场需求对 汽车产品开发进度及产品更新换代快速响应的要求。 本课题受油箱生产厂家的委托，利用现代c a d c a e 技术，在c v 9 新型轿车 的设计阶段，为其配套企业同步开发该轿车的燃油箱，对其进行结构设计，按照 国家相关法规规范校核其结构疲劳强度：利用板料成形有限元分析技术预测产品 的冲压工艺性，并对成型质量的控制进行研究。这对于生产企业缩短开发周期， 提高开发质量，适应快速变化的市场需求，增强市场竞争力具有非常重要的现实 意义。同时，本课题的研究涉及流体一结构耦合动力学，板料冲压成形材料非线性、 接触非线性以及弹塑性大变形等相关理论，有一定的学术价值和理论意义。 1 2 c a d c a e 研究发展概述 c a d 是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与 技术。它包括设计、绘图、工程分析与文件制作等设计活动，目前己广泛应用于 各行业中。汽车工业是较早开发和应用c a d 技术的行业之一。早在6 0 年代，美 国通用汽车公司就与璐m 公司台作研制成功第一个试验性c a d 系统，此后，世 界上各大汽车公司相继自主或合作开发了各种大型c a d 系统，c a d 技术广泛应 用于汽车产品开发设计的各个阶段中，c a d 技术也从二维绘图为主发展到三维线 框造型、曲面造型、实体造型，直到参数化造型、变量化造型。目前国外主流的 c a d 系统的支撑软件已经完全转换为支持基于特征和基于约束的参数化设计系 统，如p r o e n g i f l e e r 、i - d e a s 、c a t i a 及u g 等。这些系统为用户提供了完整、 准确的描述和显示三维几何形状的方法和工具，并且提高信息的重复使用能力， 有利于应用并行工程，缩短产品开发周期，降低生产成本和提高产品质量。 计算机辅助工程( c a e ) 最早始于有限元分析f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 或有 限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ) ，这一技术和c a d 、c a m 技术几乎同步发展起来。 重庆大学硕士学位论文 5 0 年代中期，开始使用一些专用的程序进行结构分析。在6 0 年代航空航天企业是 开发强有力f e m 软件的先驱。n a s a 在这方面做出了突出的贡献，1 9 7 0 年推出了 几乎可以求解任何线性结构问题的著名的n a s t r a n 程序。随后，在此基础上不 同版本的n a s t r a n 相继推出。除了著名的n a s t r a n 以外，包括以热传导分析 和场分析见长的a b a q u s 、以流体力学见长的s t a rc d 等在内的上百种有限元 分析软件服务于各个领域。 虽然c a d c a e c a m 技术几乎同步出现，但在早期却是各自独立发展的单元 技术。随着时间的推移、单项技术的进步和计算机软硬件技术的发展，人们认识 到c a d 生成的资料不仅可以绘图，而且可以直接生成数控加工等制造信息及用于 直接生成有限元模型。1 9 7 4 年，美国的j o s e p h h a r i n g t o n 提出了一个新的概念，即 计算机集成制造c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r e ) ，由此c a d c a e c a m 技术 进入了一个单项c a x 技术和集成技术协调发展的新阶段，成为缩短产品开发周期、 降低产品开发成本、提高产品质量、缩短产品供货期，保持企业竞争力的最主要 手段。 8 0 年代初我国第一汽车集团公司和东风汽车公司即着手于汽车 c a d c a e c a m 系统的筹建工作。8 0 年代中期，两公司引进国外技术相继建立了 计算机辅助绘图设计系统和以汽车车身设计和制造为主的c a d c a e c a m 系统， 并结合新车部分开发工作用新技术设计、制造车身的外覆盖件和结构件。 8 0 年代后期计算机大量引入汽车工业的各个部门，计算机辅助技术在汽车开 发部门得到更广泛的应用和普及，大大缩短了汽车开发的时间、提高了产品的质 量，特别是有# 艮元分析技术在汽车开发工作应用和推广，使设计师们在概念设计 阶段和零部件详细设计阶段采用计算分析和模拟技术，较准确地估算出所设计的 零部件和样车的可靠性，提高了产品在开发阶段的可信度，这对缩短开发周期、 减小汽车质量、减少样车测试数量、改进产品性能和品质至关重要。有限元分析 工作是c a e 的重要组成部分，现已成为汽车主要受力结构件设计的规范项目。 1 _ 3 板料成形数值模拟的发展及国内外技术现状 金属燃油箱的成形过程比较复杂，涉及几何非线性、材料非线性、接触和摩 擦等问题。而且所遇到的问题很难用统一和标准的方法解决，往往采用修错逼近 的方法田】。因此在传统的冲压生产中，无论是模具设计、制造，还是坯料形状和 尺寸的确定以及冲压工序、工艺参数的制定，都要靠设计制造原型，并经过多次 调试修正才能确定。这个过程造成人力、物力和财力的大量消耗，同时生产成本 高，准备周期长，而且产品质量也难以保证。随着我国汽车业的迅速发展，新车 型更新换代的速度不断加快，传统的冲压零件设计开发技术己难以满足生产的需 i 绪论 求。 如果有一种技术使得汽车制造工程师在不经过试生产的条件下，能够根据所 设计的模具和工艺，预见所选板材在冲压后的成形情况，这将大大降低生产成本， 缩短生产周期，赢得市场竞争。这是1 9 6 5 年当时担任美国通用汽车公司商业顾问 ( b u s i n e s sc o n s u l t a n 0 的哈佛大学教授b b u d i a n s k y 提出的设想他把这项技术称为 个“黑盒子f b l a c kb o x ) ”。b u d i a i n s k y 教授的设想很快引起了学术界和工业界的研 究兴趣。几年之后，他所设想的这项技术的轮廓日渐清晰，这就是建立在塑性成 形理论和当时刚刚诞生不久的有限元分析( f e a ) 技术和开始蓬勃发展的计算机技 术基础上的薄板成形过程的数值仿真技术。 从上个世纪6 0 年代，b u d i a i n s k y 教授提出“黑盒子”设想以来，国际上兴起 了薄板成形数值仿真的研究热潮，但早期的研究都集中在二维和轴对称情况下的 分析，分析的问题都是像半球冲头胀形或平底圆形冲头拉深这样的简单问题，分 析方法都是基于薄膜理论( m e m b r a n et h e o 哪或轴对称理论的二维分析方法，尚不能 完成像覆盖件( a u t o - b o d y p a n e l ) 这样复杂零件的成形分析。8 0 年代初，通用公司的 n m w a n g 和福特公司的s c t a n g 等人经过长期探索，成功地对轿车的行李箱盖 ( t r u n kd e c k 1 i d ) 和前翼子板( f r o n tf e n d e r ) l 攀j 冲压成形过程进行了仿真 4 5 1 【4 ”，在薄板 成形数值仿真研究基础上，开创了车身覆盖件冲压成形仿真分析的应用研究领域。 8 0 年代后期，随着计算机科技的飞速发展和有限元方法的成熟，在世界汽车 工业应用需求的推动下，薄板成形过程的计算机仿真迎来了蓬勃发展的时期，时 至今日，仍方兴未艾。有三个重要标志反映了这一时期的进展：第一，建立了能 够分析像覆盖件这样复杂零件成形过程的三维非线性壳理论( 弯曲理论) 和考虑几 何非线性的接触和摩擦问题处理算法。第二，为了有力推动薄板成形的仿真研究， 考察薄板成形数值分析算法的可靠性，国际上的权威研究组织先后共同设计了五 组标淮考题( b e n c h m a r k ) ，即o s u ( o h i os t a t eu n i v e r s i t y ) 标准考题( 1 9 8 8 年) 、v d i ( 德 国汽车学会) 标淮考题( 1 9 9 1 年) 、n u m i s h e e t 9 3 板料成形数值仿真国际会议标 准考题和mr m i s h e 盯9 6 、n u m l s h e b t 9 9 标准考题；这些标准考题从不同 角度考核有限元软件预测破裂( s p l i t t i n g ) 、起皱( w r i n k l i n g ) 、波纹( b u c k l i n g ) 和回弹 ( s p r i n g b a c k ) 的能力，考题范围涉及简单零件和复杂的覆盖件。第三，涌现了多种 格式的有限元软件，这些软件都参加了上述标准考题中部分或全部考题的考核， 有些软件已在汽车工业获得了广泛应用：参加m u n i s h e e t 9 3 薄板成形数值仿 真国际会议标准考题考核的这类软件就有2 3 个。其中参加轿车前翼子板成形分析 考核的就有9 套软件，表明这些软件能够处理覆盖件成形中高度的几何非线性、 材料非线性和复杂的接触与摩擦问题，能够对覆盖件成形中的起皱和破裂 ( w r i n k l i n g s p l i t t i n g ) 进行预测。 重庆大学硕士学位论文 二十多年来，板料冲压成形仿真分析有了很大发展，国际上众多的汽车生产 企业都建有板料成形仿真分析系统。板料成形仿真分析在多方面对这些企业的冲 压生产提供有力的支持：在设计工作的早期阶段评价覆盖件及其模具设计、工艺 设计的可行性( a s s e s sf e a s i b i l i t y ) ；在试冲试模阶段进行故障分析、解决问题( t r o u b l e s h o o t i n g ) ；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善覆盖件生产质量( i m p r o v eq u a l i t y ) t 4 。”， 同时可用来调整材料等级，降低成本。 改革开放以来，我国轿车工业有了很大发展，形成了一定规模的年生产能力， 但尚未形成完整而独立的自主开发能力，总体上仍是处于引进、改进、就地批量 生产发展阶段，国内汽车企业在总体设计和制造技术方面，仍远远落后于国外， 尤其是不具备设计和制造大型覆盖件模具的能力，缺乏覆盖件成形工艺设计的技 术和经验积累。 板料冲压成形是一个高度非线性的大变形弹塑性复杂过程，对这过程进行 动态仿真研究需要大量的财力物力投入，需要学术界和汽车工业界的密切合作。 国内的一些汽车企业为了提高企业的市场竞争力，减少试错逼近的试模环节，降 低生产成本，缩短生产周期，开始与高校合作，展开了覆盖件冲压成形动态仿真 的工业应用研究。1 9 9 0 年，北京航空航天大学的熊火轮采用a d i n a 程序，开发 了“分步修正法”来处理板料成形过程中的动态接触条件，从而仿真了宽板拉伸、 液压胀形及汽车暖风罩的成形过程【4 8 1 。1 9 9 1 年，华中理工大学的董湘怀采用薄膜 三角形单元，建立了用于板料成形分析的有限元模型，用“弹性边界层”的方法 处理接触边界，并用独立开发的弹塑性有限元程序对盒形零件和机油收集器的成 形过程进行了分析【4 9 1 。哈尔滨工业大学的张凯峰采用刚粘塑性本构关系，开发了 粘塑性板壳成形有限元分析程序，并已经得到工业应用i s 0 湖南大学工程软件研 究所的李光耀在国家自然科学基金的资助下，开展了冲压成形过程的动力显式有 限元分析程序的开发和研究1 5 ”。清华大学的研究人员开发了一种“修正的自适应 动力松弛方法”，可节省内存，减少计算量，改善收敛性，还可用来分析一般情况 下冲压成形中的起皱问题 5 “。吉林工业大学胡平领导的研究小组在前人工作的基 础上，建立了可合理反映塑性变形导致材料模量软化，并能描述由正交法则向非 正交法则光滑过渡的弹塑性有限变形的拟流动理论【s 3 1 。用这个理论仿真了圆板的 胀形，圆筒件、盒形件、锥形件和红旗4 8 8 轿车油底壳的拉深等过程，仿真了盒 形件拉深过程中法兰部分的起皱，锥形件的拉深过程中侧壁的起皱，并用空单元 技术形象地仿真了破裂过程舻“。目前，他们在1 9 9 8 年国家自然科学基金重大项目 的资助下，正在从事软件的商品化工作。 1 9 9 6 年，一汽集团、上海大众、上海宝钢等单位和高校合作，开始了覆盖件 冲压成形动态仿真的工业应用探索，先后完成了小红旗轿车、s a n t a n a 系列轿车等 4 1 绪论 若干覆盖件的冲压仿真分析与试验分析，开展了汽车板料成形性能等方面的研究。 图l 一1 是上海交大汽车工程研究所研究完成的s a n t a n a 2 0 0 0 型轿车侧门框冲压模 拟。图1 2 是小红旗轿车后纵梁的冲压仿真模拟。 毫无疑问，板料冲压成形过程的仿真分析，是一个方兴未艾的研究领域。各 国学者对板料冲压成形的各个技术环节都进行了深入的研究，并取得了很大的进 展，但总体来看，板料成形仿真分析在所有的金属塑性成型研究领域是最难、最 图1 - 1s a n t a n a2 0 0 0 型轿车侧框的拉深有限元模型及仿真结果 f i g 1 - lt h ef e m a n ds i m u l m i o nr e s e to f t h es i d ed o o rf l a m eo f s a n t a n a2 0 0 0 圈1 - 2 小红旗轿车后纵梁冲压仿真 f i g 1 2t h ef o r m i n g a n a l y s i so f r e a rf r a m eo f r e d - f l a g 不成熟的，以下几个方向代表了板料成形仿真分析的研究发展方向口5 】： ( 1 ) 台理而准确的仿真建模方法仿真模型直接影响仿真结果的可靠性和仿真 计算的效率。为了保证仿真模型的合理性和准确性，必须具备准确的几何模型、 合理的材料模型和准确的材料参数、合理的摩擦模型和摩擦润滑参数、合理的工 艺边界条件和准确的工艺参数。此外，划分单元时也需考虑单元数目的分配、单 元尺度控制等因素。这些问题值得深入研究。 ( 2 ) 回弹问题到目前为止，人们对于回弹的机理、预测、测量、控制等因素 尚缺乏深刻认识，同时由于对冲压成形过程应力计算的精确性不够，以及回弹计 重庆大学硕士学位论文 算方法本身的缺陷，使得回弹的计算精度还是不能令人满意。 ( 3 ) 拉延筋技术关于拉延筋技术的研究主要集中在两个方面，即：拉延筋的 等效阻力模型和拉延筋优化设计。在车身覆盖件冲压仿真中，拉延筋可以用两种 方法来体现，一种是真实几何模型，这种方法计算精度较高，但需要对板料细化 网格，从而增加计算时间；另一种是等效阻力模型，这种方法计算效率较高，因 而在国外得到普遍采用，但计算精度直接受到等效阻力模型质量的影响。为此， 拉延筋阻力模型的研究也是当今汽车板料冲压仿真领域的一个研究热点。 ( 4 ) 进行完整工序的仿真在目前的大多数汽车厂和研究机构，仿真仅局限于 拉深阶段。在有些情况下，一些成形缺陷往往出现在拉深以后的工序中，因此， 对汽车板料冲压件完整的成形过程( 包括拉深、切边、翻边、精整、卷边、点焊等 工序) 进行仿真就很有意义，它便于对可能出现的缺陷进行预报，便于研究成形过 程对车身覆盖件抗凹性和抗疲劳性的影响。 ( 5 ) 研究并建立把c a d 、f e a 、c a m 有效集成在一起的板料及其模具设计制造的 计算机辅助工程( c a e ) 系统。 ( 6 ) 覆盖件冲压成形数据库对每一个冲压件的冲压成形过程进行仿真分析， 结合实际生产中的积累，研究并分析材料属性、工艺条件、摩擦润滑条件等因素 对覆盖件成形过程和成形质量的影响，针对具体的零件，结合具体的材料情况， 建立该覆盖件冲压成形的工艺数据库。该数据库应包含冲压成形类型、材料参数、 摩擦润滑参数、压机设置参数等内容。建立这样的数据库可以有效地指导冲压生 产。 1 4 a l e 有限元法在流一固耦合问题中的应用 a l e ( a r b i t r a r yl a g r a n g i a n ，e u l e r i a n ) 描述的概念首先出现在数值模拟流体动力 学问题的有限差分方法中，当时是由n o r 和h i r t 等人以混合e u l e r - l a g r a n g e ( c o u p l e d e u l e r i a n l a g r a n g i a n ) 描述的名称提出的1 5 ”。a l e 描述方法被引入到有限元法中，最 早是为了满足核反应堆结构安全分析中的非线性数值模拟技术的需要。目前，a l e 有限元法被广泛应用于解决大范围移动边界( 或接触面) 问题，特别是在液体大幅晃 动问题、流一固耦合、加工成型、接触、大变形等领域获得极大成功1 ”l 。 流固祸合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用：变形固体在流体载荷 作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷 的分布或大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。 在流固耦合运动中非线性是明显的：不仅液体运动方程是非线性的，而且耦合运 动的特性将随着结构振动的幅值不同而变化：因此必须考虑结构与液体之间接触 面的有限位移，此外，自由液面液是引起非线性效应的重要因素。流固耦合问题 6 1 绪论 的数值解法可以分为两大类：整体的数值求解方法和交替的数值求解方法。整体 的求解方法是目前最常用的，这种方法是将流体和固体的动力学方程联立求解。 但是由于描述流体和固体的方程在性质上有很大不同，给求解过程带来很大的困 难。另一方面，由于流固耦合问题与其它耦合问题相比的主要特点，在于它不是 全域的耦合而是界面的耦合，因此这种问题更适于用交替方法进行求解。交替求 解方法是将流体和固体分成两个单独的求解域，在数值求解过程中各时刻交替地 求解这两个区域，并且在交替过程中通过耦合界面进行有关物理量的传递从而达 到不同求解域的相互耦合。清华大学的王建军等人研究了交替求解格式的a l e 有 限元方法，并用来模拟了快堆主容器流固耦合问题。l i uw k 等人采用a l e 有限 元方法研究了由地震产生的液体惯性和液面晃动波所引起柔性贮液腔动力学问 题。为了处理耦台接触面上节点的更新问题，文中采用接触单元( 滑移单元) ，并 在单元上定义一罚参数，以满足液体域及固体域对节点的不同约束，解决了液体 与固体之间的单元匹配问题。上海交通大学的岳宝增等人将a l e 有限元分布方法 应用于流一固耦合问题中，推导了流固耦合问题的a l e 有限元分步格式计算公式， 并模拟了t l d ( t u n e d l i q u i d d a m p e r ) 结构中的液体刚性贮腔之间的耦合动力学 特性。 a l e 法吸收了拉格朗日描述和欧拉描述的优势，集合了e u l e r i a n 和l a g r a n g i a n 有限元的优越性，克服了各自的缺陷，克服了由于单元严重畸变而引起的数值计 算困难，因此成为非线性连续介质力学中很有前景的分析方法。由于a l e 描述的 计算网格可以独立运动，使得a l e 描述成功地解决了一大批自由表面问题、摩擦 接触问题、流体结构相互作用问题。但a l e 法使得计算较为复杂，而且也存在迁 移的影响，因此需要研究简单的、有效的a l e 计算格式( 包括网格运动算法、方程 的求解策略、迁移影响的处理等) 。【1 4 】- - 2 1 】 1 5 本文的研究内容 本课题的主要工作是利用现代c a d c a e 技术，对c v 9 新型轿车的燃油箱进 行结构设计，按照国家相关法规规范对其进行结构疲劳强度校核；利用板料成形 有限元分析技术预测产品的冲压工艺性，并对成型质量的控制进行研究。 主要研究内容如下： ( 1 ) 利用现代c a d 技术，在u g 平台上设计出满足c v 9 汽车整体功能需求 的汽车燃油箱几何结构，在计算机内虚拟实现油箱总成与整车相关零部件的装配。 ( 2 ) 利用现代c a e 技术，模拟g b1 8 2 9 6 2 0 0 1 中规定的振动耐久试验过程， 分析其应力应变分布，对油箱的薄弱环节进行疲劳寿命分析，以保证燃油箱有足 够的安全储备。其中最大的困难是如何实现流体结构耦合动力学问题的计算机仿 7 重庆大学硕士学位论文 真，本文为模拟油箱中液体的特性拟采用的“混合单元”法，是对求解流体一结构 耦合问题弱耦合方法的大胆尝试。 ( 3 ) 对油箱的冲压成形过程进行数值模拟，评价油箱设计的工艺可行性，修 改设计方案中不满足冲压工艺的缺陷；通过优化模具拉延筋设置、压边力和坯料 形状，控制油箱成形质量。板料冲压成形数值模拟涉及到材料非线性、接触非线 性以及弹塑性大变形等复杂问题，是一个方兴未艾的研究领域。本文将对模具加 载速度、板料与模具间摩擦系数的确定等进行探讨，对油箱的成形质量控制进行 讨论并提出相应的控制措施。 ( 4 ) 最后，本文将对利用a l e 流固耦合算法模拟充液燃油箱振动耐久性试 验过程进行初步探讨。 2c v 9 汽车燃油箱结构设计 2o v 9 汽车燃油箱结构设计 汽车燃油箱的主要功能是储存燃油，为了使汽车能有足够的续航里程，燃油 箱应具有足够大的容量。现代轿车设计越来越趋于人性化，其发展趋势是压缩机 械空间扩大乘员空间，汽车布置越来越紧凑。为了能充分利用有限的机械空间， 燃油箱往往外形复杂，在设计过程中必须综合考虑油箱的各个功能结构以及与相 关零部件的连接装配关系。 本章的主要内容是：利用现代c a d 技术，在u g 平台上设计出满足c v 9 汽 车整体功能需求的汽车燃油箱几何结构，在计算机内虚拟实现油箱总成与整车相 关零部件的装配。 2 1u g 软件介绍 u g 是u n i g r a p h i c s s o l u t i o n 公司的拳头产品。该公司首次突破传统c a d c a m 模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在u g 中，优越的参数化和变量化 技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力 的，并被大多数c a d c a m 软件厂商所采用。它使用的复合建模技术( h y t ) r i d m o d d i n g ) ，给设计者更大的设计自由度，可以灵活的运用各种方式，表达设计意 图。 u g 是目前国际、国内应用最为广泛的大型c a d c a e c a m 集成化软件之一， 功能强大，内容丰富，涵盖了从设计、分析、加工、管理的各个领域，除了建模、 绘图、装配等通用模块之外，还提供了各种专业模块，如计算机辅助工业设计模 块，钣金设计加工模块、模具设计加工模块、管路设计布局模块等。以其先进的 技术、综合的产品数据管理能力用户提供了一整套的信息集成解决方案。 u g 的集成化软件在产品的设计制造过程中，体现了并行工程的思想，在产品 设计的早期，它的下游应用部门( 如工艺部门、加工部门、分析部门等) 就已经 介入设计阶段，所以设计过程是一个可反馈、可修改的过程；u g 强大的参数化功 能能够支持模型的实时修改，系统能自动刷新模型，以满足设计要求。由此，这 种设计过程不必等产品全部设计完才进行下游工作，而是在产品初步设计后，就 可以进行方案评审，并不断修改设计，直到达到设计要求。其基本工作流程如图 2 1 所示。 本章采用u g 软件平台，在充分理解整车布置要求和燃油箱使用性能要求的 基础上，设计c v 9 汽车燃油箱的几何结构，并实现了油箱总成与相关零部件的虚 拟装配。 重庆大学硕士学位论文 图2 - 1u g 工作流程图 f i g 2 1f l o wc h a r to f u g 2 2c v 9 汽车燃油箱结构设计 汽车燃油箱应能保证汽车有足够的续航能力，现代轿车一次加油续航里程一 般为4 0 0 6 0 0 k m ，燃油箱的额定容积在3 5 8 0 l 。c v 9 汽车燃油箱的额定容积为 6 0 l ，装在汽车中部车身下面。燃油箱选用镀锌薄钢板冲压焊接而成，不易生锈腐 蚀及泄露。油箱上部通过法兰盘安装有潜式电子燃油泵，出油管连通固定在油箱 一侧的燃油滤清器，与回油管共同固定在油箱上。油箱上部设计有突出的蒸汽室， 最高点设计有平衡气压的蒸汽阀，上箱布置有加油通气管和加油管接口。 c v 9 汽车排气管从燃油箱下方通过，其表面温度约为4 0 0 。c 。燃油箱的设计必 须为排气管让出足够的空间。从安全的角度考虑，燃油箱与排气管之间应该保证 有足够的空间，便于空气流动冷却排气管，在燃油箱相应的部位设计隔热垫，防 止因排气管对燃油箱的加热而造成燃油的大量蒸发。 为了保证在汽车上长坡时，油泵能汲到燃油，油箱底部设计一高7 5 m m 的汲 油槽，油泵安装在汲油槽内。汲油槽底部钻孔，汽车在平路行驶时，燃油经小孔 进入汲油槽，汽车上坡时，小孔处在高处，燃油不能从汲油槽中流出，为油泵提 供燃油。 汽车理想的加油过程分为两个阶段： ( i ) 燃油注入燃油箱到燃油淹没加油通气管口为第一部分。在此过程中，油 箱中的气体部分从加油通气管排到大气，一部分由蒸汽管经碳罐排到大气。 ( 2 ) 从燃油淹没加油通气管到加油结束为第二部分。由于液面的升高，燃油 浸没浮予阀，在浮力的作用下，针阀封闭，油箱内压力上升，燃油在油箱内压力 的作用下，由加油通气管返回加油口，加油枪感应到有燃油返回时自动关闭，加 油结束。 为了控制加油量，加油通气管和浮子阀离油箱地面的高度应使其下部的油箱 体积为油箱的额定容积。如果加油通气管位置太低，加油过程中加油通气管过早 2c v 9 汽车燃油箱结构设计 封闭，油箱内气体只能从蒸汽阀排除，而造成加油不畅，难以保证加油量：如果 浮子阀和加油管位置太高，油箱封闭太迟，将造成加油过量。 基于以上考虑，在三维绘图工具中设计的c v 9 汽车燃油箱几何形状如图2 - 2 。 图中油箱上部突出部分为蒸汽室，其顶部设计有蒸汽阀安装孑l ，蒸汽室前端安装 加油通气管，箱体上焊接加油管。上箱顶部开有油泵安装孔，油泵安装法兰点焊 在平台上。为了密封，凸缘比安装法兰高0 4 m m 。油泵通过法兰和盖板安装在油 箱上，为了给安装螺钉让位，其周围设计有8 个凹坑。油箱下部设计隔热垫，通 过点焊在油箱上的四个安装支座安装在下箱底面。为了增加油箱的刚度和强度， 下箱底面设计有如图2 2 的凸肋，凸肋中部为汲油槽提供定位凹坑。 图2 - 2c v 9 燃油箱几何模型 f i g 2 2t h eg e o m e t r i cm o d e lo f c v 9o i i t a n k 图2 - 3c v 9 燃油箱爆炸图 f i g 2 3t h ee x p j o s i o nv i e wo f c v 9o i l t a n k 重庆大学硕士学位论文 燃油箱及其附件装配关系如图2 3 。上下箱通过缝焊合成箱体，汲油槽用6 8 个焊点点焊在下箱凹坑内，加油管和通气管焊接在箱体上，加强垫板点焊在油箱 安装吊耳上，隔热垫安装座点焊在下箱底面，隔热垫通过螺栓与安装支座连接， 在油箱边缘点焊有线卡和制动拉锁吊钩。 c v 9 燃油箱通过其加油管侧的安装吊耳安装在从车身地板上伸出的支架上， 另一侧安装在车架横梁上，其安装关系如图2 - 4 所示。经干涉检查，油箱与周围零 部件间距均匀，均为1 0 m m ，无干涉现象。 图2 - 4c v 9 汽车燃油箱在整车上的安装 f i g 2 - 4t h ea s s e m b l ep o s i t i o no f c v 9 o i l - t a n k 2 1 3 小结 本章分析了c v 9 汽车对燃油箱的性能和整体布置要求，在u g 平台上对燃油 箱初步造型设计。油箱总成与整车相关零部件的虚拟装配表明，外形尺寸满足整 车布置，与相关零部件装配间隙均匀一致，无干涉现象。 1 2 3c v 9 汽车燃油箱强度校核及疲劳寿命分析 3g v 9 汽车燃油箱强度校核及疲劳寿命分析 本章利用a n s y s 有限元分析软件，按照汽车燃油箱安全性能要求和试验方 法( g b1 8 2 9 6 2 0 0 1 ) 中的规定，对c v 9 汽车燃油箱进行了模态分析和3 0 h z 及 3 3 h z 的谐响应分析( h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ) ，得到各激励频率下油箱的应力 应变响应，对油箱进行疲劳寿命分析