DE19924207A1 - Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffbehältern - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffbehältern beschrieben, bei dem das Behälterverhalten bei Einwirkung äußerer Kräfte oder Beschleunigungen, wie sie bespielsweise bei Crashs auftreten, unter Berücksichtigung der Behälteranbindung an eine zugeordnete Karosserie durch Simulationsrechnungen bestimmt wird, deren Ergebnisse dann bei der Behältergestaltung in die Praxis umgesetzt werden. Erfindungsgemäß wird bei den Simulationsrechnungen eine flächenhafte Behälteranbindung durch Spannbänder berücksichtigt, wobei insbesondere der Einfluß von Vorspannungen dieser Spannbänder von wesentlicher Bedeutung ist. Weitere wichtige Einflußgrößen sind das nichtlineare Werkstoffverhalten des Behältermaterials, die unterschiedliche Wanddickenverteilung der Kraftstoffbehälter und die Wechselwirkung mit eingefülltem Kraftstoff. Hiermit lassen sich das Bewegungsverhalten von Kraftstoffbehältern bei einem Crash, die Aufweitung derselben durch den Kraftstoff und die am stärksten belasteten Stellen der Behälteroberfläche mit einer für die Praxis hinreichenden Genauigkeit ermitteln und die Einhaltung vorgegebener Sicherheitsanforderungen überprüfen, so daß sich Kraftstoffbehälter im Hinblick auf eine geplante Anwendung optimal auslegen oder gestalten lassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffbehältern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für Kraftstoffbehälter werden im Crashfall hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. So fordert die Sicherheitsvorschrift der USA-FFMVSS 301, daß in den ersten 25 Minuten nach einem Crash nur 28,4 g Kraftstoff pro Minute auslaufen dürfen. Zusätzlich fordert die FFMVSS, daß nach einem Crashversuch ein Rotationstest mit dem verwendeten Fahrzeug durchgeführt wird, um ein eventuelles Umkippen des Fahrzeugs bei einem Unfall zu simulieren. Auch hierbei müssen die genannten Anforderungen bezüglich des Kraftstoffaustritts erfüllt sein. Die europäische Richtlinie 96/79 schriebt für einen Frontal-Aufprall mit einer deformierbaren Barriere vor, daß maximal 30 g Kraftstoff pro Minute austreten dürfen.

Diese hohen gesetzlichen Anforderungen an Kraftstoffbehälter, die zunehmend schneller ablaufenden Entwicklungsprozesse in der Automobilindustrie in Kombination mit den verschärften wirtschaftlichen Rahmenbedingungen und der enorme Anstieg in der Leistungsfähigkeit moderner Computer führen zu einer wachsenden Einbindung von Berechnungs- und Simulationsverfahren in den Produktionsentwicklungsprozeß, da sich hierdurch Zeit- und kostenintensive Crash-Tests vermeiden und neue Behältergestaltungen oder Modifikationen sehr schnell und kostengünstig auf ihre Praxistauglichkeit unter Einhaltung der jeweiligen Sicherheitsanforderungen und im Hinblick auf die geplante Anwendung optimieren lassen.

Bei Computersimulationen von Crashs werden üblicherweise FEM-Verfahren (FEM = Finite- Element-Methode) verwendet, bei denen die als Kunststoff-Blasteil ausgebildeten Kraftstoffbehälter durch starre Massen berücksichtigt werden, die an einigen Punkten an einer zugeordneten Karosserie angebracht sind. Die auf die Kraftstoffbehälter wirkenden Kräfte werden somit lokal eingeleitet, was zu überhöhten Spannungen und Verzerrungen im Bereich der Anbindungspunkte und zu unrealistischen Vorhersagen über das Behälterverhalten im Falle eines Crashs und die Einhaltung vorgegebener Sicherheitsanforderungen führt. Die Ergebnisse herkömmlicher Simulationsrechnungen lassen sich in der industriellen Praxis somit nur bedingt zur Auslegung oder Gestaltung von Kraftstoffbehältern einsetzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines verbesserten Herstellungsverfahrens für Kraftstoffbehälter, bei dem die Simulation des Behälterverhaltens bei Einwirkung äußerer Kräfte oder Beschleunigungen, wie sie beispielsweise im Falle eines Crashs auftreten, zur optimalen Auslegung oder Gestaltung der Kraftstoffbehälter im Hinblick auf die vorgegebenen Sicherheitsanforderungen verwendet wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch Berücksichtigung einer flächenhaften Behälteranbindung an die Karosserie gelöst, die im Unterschied zu herkömmlichen Simulationsverfahren mit der Annahme einer nur punktuellen Anbindung zu einer Vermeidung von lokalen Spannungsspitzen in der Nähe von Anbindungspunkten und damit zu einer merklich besseren Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit experimentellen Resultaten führt.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich durch Berücksichtigung einer flächenhaften Anbindung durch vorgespannte Spannbänder erreichen, wobei als weitere wichtige Einflußgrößen das nichtlineare Werkstoffverhalten des Behältermaterials, die Wanddickenverteilung der Kraftstoffbehälter und deren Wechselwirkung mit eingefülltem Kraftstoff in die Simulation einfließen. Hierdurch lassen sich das Bewegungsverhalten von Kraftstoffbehältern im Falle eines Crashs, die Aufweitung desselben durch eingefüllten Kraftstoff und die am stärksten belasteten Stellen der Behälteroberfläche mit einer für die Praxis hinreichenden Genauigkeit ermitteln, so daß sich der Kraftstoffbehälter im Hinblick auf die Einhaltung vorgegebener Sicherheitsanforderungen für die jeweilige Anwendung optimal auslegen und herstellen lassen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich nicht nur aus den zugehörigen Ansprüchen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Verformungsvergleich für einen Kraftstoffbehälter nach Aufblasversuchen mit a.) p = 0,3 bar und b.) p = 0,5 bar;

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Tankschlittenanlage;

Fig. 3 einen Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Resultaten für die Beschleunigung eines Kunststoff-Kraftstoffbehälters KKB (Fig. 3a) und die Beschleunigung einer zugeordneten Karosserie am Längsträger (Fig. 3c) sowie die zeitliche Abhängigkeit des Drehwinkels eines an der Behälteroberfläche angebrachten Beschleunigungssensors (Fig. 3b); und

Fig. 4 den Einfluß einer Spannbänder-Vorspannung auf die Simulationsergebnisse.

Die Computersimulation des Kraftstoffbehälterverhaltens bei Einwirkung äußerer Kräfte oder Beschleunigungen, insbesondere bei Crashs, basiert im wesentlichen auf Finite-Element- Methoden (FEM), die durch Verfahren aus der Mehrkörpersimulation, Verfahren der Kontaktmechanik und an wenigen Stellen auch durch Simulationen strömungsmechanischer und thermodynamischer Vorgänge erweitert werden.

Bei der FEM teilt man z. B. flächenhafte Strukturen in Vierecke und Dreiecke auf und diskretisiert auf diese Weise die partiellen Differentialgleichungen, die das Verhalten der flächenhaften Strukturen beschreiben. Da die Dicke der Behälterwand von Kraftstoffbehältern herstellungsbedingt stark vom Ort auf dem Behälter abhängt, wird das FEM-Modell aus Elementen unterschiedlicher Dicke aufgebaut, wobei ein diskretes Netz gemessener Dicken auf die FEM-Struktur projiziert wird. Da sich bei Zugversuchen mit unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten kein anisotropes Verhalten des Behältermaterials feststellen läßt, wird im FEM-Modell ein isotropes Materialverhalten verwendet.

Ein wichtiger Aspekt stellt die Berücksichtigung der Behälteraufhängung an einer zugeordneten Karosserie durch Spannbänder dar, deren Form erfindungsgemäß so ermittelt wird, daß die Spannbänder und die Kraftstoffbehälterstruktur unmittelbar nach Beginn der Rechnung vorgespannt sind. Wie aus der nachstehenden Diskussion der Simulationsergebnisse ersichtlich wird, läßt sich hiermit eine deutlich bessere Übereinstimmung zwischen Simulationsrechnungen und experimentellen Resultaten erreichen.

Zudem wird bei der Simulation das Bewegungsverhalten eines eingefüllten Kraftstoffes und dessen Wechselwirkung mit dem Kraftstoffbehälter berücksichtigt, da der Kraftstoff im Falle eines Crashes so hohe Beschleunigungen erfährt, daß er sich an der Behälterwand staut und zu einer sicherheitstechnisch relevanten Aufweitung des Kraftstoffbehälters führt.

Das verwendete Kraftstoff- oder Flüssigkeitsmodell basiert auf einer Einteilung des ruhenden Kraftstoffes in finite Volumen, die in der Berechnung durch sogenannte Solid-Elemente dargestellt werden. Der Raum, den der Kraftstoff im Verlauf der Simulation einnimmt, wird nicht neu vernetzt. Es handelt sich um eine Lagrangsche Beschreibung der Kraftstoffbewegung. Damit sich der Kraftstoff allen Rundungen im Kraftstoffbehälter anpassen kann, wird ein Materialgesetz mit einer sehr geringen Versagensspannung (nach von Mises) gewählt. Wirkt auf ein solches Material eine Kraft, so wird es sich zwar bei sehr kleinen Kräften elastisch deformieren, die von-Mises-Spannung wird aber bereits bei so geringen Belastungen überschritten, daß der Fehler durch die elastische Deformation vernachlässigbar klein ist. (Die von-Mises-Spannung wird bereits unter dem Eigengewicht des Kraftstoffs überschritten).

Die Solid-Elemente und die durch Shell-Elemente modellierte Kraftstoffbehälter- oder Tankstruktur wechselwirken über Kontaktgleichungen miteinander. Diese Methode der Kraftstoffbeschreibung wurde für einen Prinzipversuch mit experimentellen Ergebnissen und mit Strömungsberechnungen (Navier-Stokes-Gleichung und k-ε-Turbulenzmodell) verglichen. Die Ergebnisse stimmen gut überein, so daß von einer guten Nachbildung der wesentlichen Strömungsmerkmale und von deren Auswirkungen auf den Kraftstoffbehälter auszugehen ist. Das verwendete Kraftstoffmodell ist somit gut zur Simulation des Tankstoffschwappens geeignet.

Die in dem Modell vorkommenden Werkstoffkenngrößen und die Wanddickenverteilung eines Kunststoff-Kraftstoffbehälters werden auf die nachstehende Art und Weise experimentell bestimmt.

Da für ein Kunststoff-Werkstoffmodell der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung benötigt wird, werden zunächst aus einem Kunststoff-Kraftstoffbehälter (KKB) Zugproben ausgeschnitten, mit denen bei verschiedenen Abzugsgeschwindigkeiten und Temperaturen Zugversuche durchgeführt werden. Als Ergebnis ergeben sich Kraft-Weg-Diagramme, aus denen der E-Modul und Spannungs-Dehnungs-Kurven für die plastischen Deformationen bei verschiedenen Temperaturen und Abzugsgeschwindigkeiten bestimmt werden. Diese Größen dienen als Grundlage für das venrwendete Werkstoffmodell.

Vorteilhaft ist an diesem Verfahren, daß die Werkstoffeigenschaften des fertig verarbeiteten Materials ermittelt und damit automatisch auch Einflüsse des Blasvorgangs in dem Modell berücksichtigt werden. Durch eine Probenentnahme parallel und senkrecht zur Extrusionsrichtung kann das Material zudem auf anisotropes Verhalten überprüft werden. Nachteilig ist, daß die entnommenen Proben nicht der Zugprobendicke nach DIN 53504 entsprechen und teilweise Dickenschwankungen oder Vorwölbungen aufweisen. Zur Ermittlung der Spannung wird daher für jede Probe die kleinste Dicke bestimmt.

Die Zugversuche zeigen, daß das Werkstoffverhalten eines Kunststoff-Kraftstoffbehälters annähernd isotrop ist. Bei niedrigeren Materialtemperaturen und höheren Abzugsgeschwindigkeiten wird der Werkstoff spröder.

Die Wanddicke des Kraftstoffbehälters wird durch Zerschneiden eines Kraftstoffbehälters und Ausmessen der einzelnen Behälterscheiben ermittelt. Anhand der Meßergebnisse wird dann, wie oben bereits erwähnt wurde, jedem Element im FEM-Modell eine eigene Dicke zugeordnet.

Die Simulationsrechnungen werden anhand eines Versuchsprogramms verifiziert, das in der folgenden Tabelle 1 nach Versuchsart, Ziel des Versuchs und den gemessenen Größen aufgeschlüsselt ist. Die Meßgrößen sind so ausgewählt, daß sie mit ausreichender Genauigkeit meßbar und gut mit den errechneten Größen vergleichbar sind. Das Versuchsprogramm zur Verifikation der Rechnung ist so zusammengestellt, daß bei den Versuchen einzelne Größen unter Ausblendung bestimmter Randbedingungen und somit unabhängig von denselben gemessen werden. So werden beim Berstversuch nur statische Einflüsse auf den Kraftstoffbehälter oder Tank berücksichtigt. Beim Tankschlittenversuch wird die Temperaturabhängigkeit des Behältermaterials getestet. Auf dem Großen Horizontalschlitten (GHS) wird das dynamische Tankverhalten ohne Rohbauverformungen der Karosserie untersucht. Und im GHS-Flüssigkeitsbehälterversuch wird das Kraftstoffverhalten analysiert. Alle Einflußparameter treten dann im Crashversuch zusammen.

Tabelle 1

Versuchsmatrix

Zunächst wird durch einen Aufblasversuch das statische Verformungsverhalten des Kraftstoffbehältermaterials geprüft. Da sich bei einem Crash zum einen durch die Relativbewegung des Kraftstoffbehälters bezüglich der Karosserie mechanische Belastungen und Verformungen am Kraftstoffbehälter ergeben und sich der Kraftstoffbehälter zum anderen durch die Kraftstoffbewegung aufwölbt, wird bei dem Aufblasversuch zunächst das Aufwölben des Kraftstoffbehälters unabhängig von anderen Einflußgrößen getestet und verifiziert. Der Kraftstoffbehälter wird dabei in Schritten von jeweils 0,1 bar aufgeblasen, wobei die Außenkonturänderung mit einer Meßvorrichtung vermessen wird (siehe z. B. S. Bardenhagen, Experimentelle Bestimmung des Verformungsverhaltens eines Kraftstoffbehälters, Studienarbeit VW, Wolfsburg, 1998). Die Gesamtverformung wird mit der Rechnung verglichen, wobei sich eine gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung ergibt. In Fig. 1 ist diese Übereinstimmung beispielhaft für einen Druck von 0,3 bar (Fig. 1a) und für einen Druck von 0,5 bar (Fig. 1b) dargestellt.

Weiterhin werden mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) an verschiedenen Stellen die Dehnungen auf der Behälteroberseite gemessen. Diese Werte können jedoch nicht mit der Rechnung verglichen werden, da mit der Rechnung nur die Dehnung in der neutralen Faser der Behälteroberwand bestimmt wird, während die gemessenen Dehnungen vorwiegend durch die Biegung der Behälterwände bestimmt sind.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Tankschlittenversuch läßt man einen Wagen oder Tankschlitten 10 mit einer bestimmten Masse und Geschwindigkeit, an dessen Vorderfront eine starre Platte 12 befestigt ist, auf einen Kraftstoffbehälter 14 auftreffen, wobei mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera die maximale Eindringtiefe des Tankschlittens 10 in den Kraftstoffbehälter 14 und mittels eines Beschleunigungsaufnehmers die Verzögerung des Tankschlittens 10 gemessen wird. Es kann auch die Beschleunigung des Kraftstoffbehälters 14 an mehreren Punkten gemessen werden. Die Versuche werden bei verschiedenen Temperaturen (-35°C, 20°C, 65°C) durchgeführt. Bei tieferen Temperaturen ist die maximale Verzögerung des Tankschlittens 10 am größten, während der Tankschlitten 10 bei höheren Temperaturen weiter in den Kraftstoffbehälter 14 eindringt. Der Vorteil dieses Versuchsaufbaus liegt in der Möglichkeit, Eigenschaften des Kraftstoffbehälters 14 bei verschiedenen Temperaturen zu messen, so daß sich das FEM-Werkstoffmodell bezüglich des vorausgesagten Temperaturverhaltens verifizieren läßt.

Bei einem weiteren Versuch mit einem Großen Horizontalschlitten wird eine versteifte Karosserie mit einem crashähnlichen Beschleunigungsimpuls (30 g halbsinus über 70 ms) belastet. Der Horizontalschlitten umfaßt einen mit Gasdruck arbeitenden Schubkolbenantrieb und ist als Verzögerungsschlitten ausgelegt, d. h. er wird entgegengesetzt zur normalen Fahrtrichtung beschleunigt. Die Beschleunigungskurve des Schlittenkörpers wird mit einem Steuerstift und dem Ladedruck eingestellt. In die Transportkarosse ist ein Kraftstoffbehälter eingebaut. Bei dem Versuch wird der Bewegungsablauf gefilmt und an einzelnen Punkten werden die Beschleunigungen und Dehnungen auf der Kraftstoffbehälteroberfläche gemessen. Hiermit läßt sich das Verhalten des Kraftstoffbehälters ohne störende Karosserieverformungen reproduzierbar untersuchen. Weiterhin sind solche Versuche bei Variation verschiedener Versuchsparameter sehr kostengünstig.

Zur Untersuchung des Kraftstoffverhaltens werden auf dem Großen Horizontalschlitten auch Versuche mit einem mit gefärbten Wasser gefüllten, durchsichtigen rechteckigen Kunststoffbehälter durchgeführt. Der Horizontalschlitten wird mit einem Crashverzögerungsimpuls beaufschlagt, wobei die Flüssigkeitsbewegung gefilmt wird. Zudem wird der Druck an verschiedenen Stellen der Behälterwand ermittelt und es werden die Reaktionskräfte am Kraftstoffbehälter gemessen. Mit Hilfe dieses Versuchs läßt sich die Flüssigkeitsbewegung beim Crash unabhängig von anderen störenden Größen, wie z. B. der Karosserieverformung und der Form des Kraftstoffbehälters untersuchen. Die Messungen werden mit den Ergebnissen verschiedener Strömungssimulationen verglichen, die verschiedene Modellansätze enthalten.

In einem Frontalcrashversuch werden schließlich alle möglichen Meßwerte erfaßt und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Bei dem Versuch trifft der Kraftstoffbehälter nach 42,5 ms den Fahrschemel, wobei die Werkstoffbelastung am größten ist. Nach 52,5 ms trifft die maximale Aufweitung des Kraftstoffbehälters auf und nach 60 ms bewegt sich der Tank wieder in seine Ausgangslage zurück.

In Fig. 3a sind die bei dem Versuch experimentell ermittelten Beschleunigungsverläufe, die mit Hilfe eines im vorderen Bereich des Kraftstoffbehälters angebrachten einaxialen Beschleunigungsaufnehmers gemessen werden, zusammen mit den errechneten Werten dargestellt. Die gemessenen und berechneten Beschleunigungsverläufe stimmen in den ersten 45 ms gut überein, während danach die Simulationsergebnisse unterhalb der experimentellen Werte liegen. Bei etwa 45 ms werden die Beschleunigungen positiv, obwohl das Gesamtfahrzeug nach wie vor abgebremst wird. Diese positiven Beschleunigungen haben ihre Ursache darin, daß sowohl bei der Messung als auch bei der Simulation die Beschleunigungen in einem lokalen Koordinatensystem gemessen werden. Das heißt, daß sich der Beschleunigungssensor mit der Behälteroberfläche mitbewegt, und sich daher dreht. Durch die großen Deformationen des Kraftstoffbehälters, die maßgeblich vom Kraftstoff herrühren, wird der Sensor gedreht und mißt daher nicht ausschließlich die Längsbeschleunigung sondern auch noch einen Teil der Vertikalbeschleunigung, was zu den positiven Werten bei der Beschleunigung führt. Der Drehwinkel des Sensors läßt sich den Simulationsergebnissen entnehmen und ist in Fig. 3b dargestellt. Man erkennt deutlich, daß sich der Sensor um etwa 90° dreht. Dies ist die Folge eines Kontaktes mit der Struktur. Im Experiment dreht sich der Sensor auch wieder zurück, bei der Simulation hingegen kommt es zu einem Einschnappen der Elemente, wodurch die Drehung des Sensors für den Rest der Simulation beibehalten wird. Dies ist der Grund für die unterhalb des experimentellen Ergebnisse liegenden berechneten Beschleunigungen ab etwa 50 ms. In Fig. 3c ist die Beschleunigung der Karosserie am Längsträger für die experimentellen und rechnerischen Ergebnisse dargestellt. Obwohl auch hier Abweichungen zu erkennen sind, stimmen die Beschleunigungen in Fig. 3a dennoch gut überein.

Die Bedeutung des Kraftstoffs macht sich bei den Simulationsrechnungen durch eine Aufweitung des Kraftstoffbehälters in vertikaler Richtung um mehr als 50 mm bemerkbar (in longitudinaler Richtung wird er abgebremst.) Würde man den Kraftstoff bei der Simulation des Crashverhaltens unberücksichtigt lassen, so liefe man Gefahr, Interaktionen zwischen dem Kraftstoffbehälter und der Karosserie nicht erkennen zu können, die im Hinblick auf die Einhaltung der vorgegebenen Sicherheitsanforderungen von wesentlicher Bedeutung sind.

Ein weiterer wichtiger Aspekt besteht darin, daß die Kräfte im Unterschied zum Stand der Technik nicht punktuell sondern flächenhaft durch vorgespannte Spannbänder in die Behälterstruktur eingeleitet werden. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, ist die Berücksichtigung von Vorspannungen in der Berechnung von entscheidender Bedeutung, da sich ohne diese Berücksichtigung zu hohe Belastungen ergeben. So ist bei etwa 40 ms die ohne Vorspannung berechnete Beschleunigung etwa doppelt so groß wie im Experiment. Bei Berücksichtigungen der Vorspannungen ist hingegen eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und berechneten Ergebnissen feststellbar.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffbehältern mit einer Computersimulation des Behälterverhaltens bei Einwirkung äußerer Kräfte oder Beschleunigungen unter Berücksichtigung der Behälteranbindung an eine zugeordnete Karosserie und Ausnutzung der Simulationsergebnisse bei der Behältergestaltung, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Computersimulation eine linienförmige oder flächenhafte Anbindung an die Karosserie berücksichtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenhafte Anbindung durch ein oder mehrere Spannbänder erfolgt, deren Vorspannungen bei der Computersimulation berücksichtigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Computersimulation das nichtlineare Werkstoffverhalten des Behältermaterials berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Computersimulation unterschiedliche Wanddicken des Kraftstoffbehälters berücksichtigt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Computersimulation auch das Verhalten eines eingefüllten Kraftstoffs 9 berücksichtigt wird.