A 6/1990. (IV. 12.) Köhém rendelet tartalmazza a gépjármű tüzelőanyag-rendszerére, illetve az üzemanyagtartályra vonatkozó irányelveket, előírásokat. A járműre előírt hatótávolságból, illetve a berendezés minimális üzemeltetési feltételéből adódóan mintegy 180 l térfogatú tartályra van szükség. Ezen kiinduló adatok alapján kialakított tartály az 1. ábrán látható.
A tartály belső terét hullámtörő lemezzel két részre választották (2.). A hullámtörő lemez szerepe elsősorban az, hogy meggátolja, illetve csökkentse a jármű menetviszonyaiból adódó, különböző irányú gyorsulások hatására az üzemanyag lötyögését, de nem elhanyagolható a hatása szilárdsági szempontból sem, mert merevíti a tartály falait.
Megfelelés az elvárásoknak, szabályozásoknak
A végeselemes számítás alkalmazása ennek az üzemanyagtartálynak a tervezésénél elsősorban azért vált szükségessé, mert a rendelkezésre álló kis férőhely és a szükséges minimális térfogat miatt a szokásos „egyszerű” téglatest alakú tartálytól eltérően megfelelő szilárdságú alakos tartályt kellett tervezni a rendelkezésre álló tér legjobb kihasználásához, a lemezvastagság minimális értéken tartása mellett.
A tartályhoz az EN 10088 szerinti X5CrNi 18 10 minőségű, 1,5 mm vastagságú rozsdamentes acéllemezt használták, amelynek mechanikai tulajdonságai a következők: folyáshatár Rp02=230 MPa, szakítószilárdság Rm=540–750 MPa, nyúlás A80mm=45%. A hatósági előírásban több vizsgálati követelmény is vonatkozik a tartály szerkezeti szilárdságára.
Ezek közül a mechanikai szilárdságvizsgálat az, amely a tartály szilárdsági tulajdonságait minősíti. Ez a vizsgálat előírja, hogy az üzemi nyomás kétszerese vagy legalább 0,3 bar túlnyomás öt órán keresztül fenntartva sem károsíthatja a tartályt oly mértékben, hogy annak következtében a tartályból az üzemanyag szivárogna. Maradó alakváltozás megengedett.
A megoldás: Creo Simulation
A végeselemes módszer (VEM) szerinti számításhoz a szakemberek a Pro/Engineer Mechanica Wildfire 4.0 szoftvert (új nevén Creo Simulation) használták. Terhelésként a mechanikai szilárdsági vizsgálat követelményében előírt 0,3 bar felületi nyomást helyeztek el a tartály belső felületére. A kapott számítási eredmények közül elsősorban az alakváltozást és a von Mises szerinti feszültségeloszlást ellenőrizték. Az eredmények kiértékelése során egyértelműen látszott, hogy a kapott feszültségek nagyobbak a folyáshatárnál.
Ez önmagában nem lenne probléma, mivel az előírás megengedi a vizsgálat következményeként a maradó alakváltozást, csak a törést nem. Viszont a VEM modellben csak lineáris anyagtulajdonságot lehet az alkatrészekhez hozzárendelni, így nem lehetett közvetlenül kiértékelni az eredményeket. A pontosabb értékelhetőséghez elasztoplasztikus anyagmodellt kellene használni. A Creóban lehetőség van ilyen anyagmodell definiálására is (3., 4.).
Mivel a Rábánál elérhető a Creo legújabb verziója, adódott az alkalom a kipróbálására. Az üzemanyagtartály megfelelő anyagtulajdonságának definiálásához viszont szükség van az anyag σ-ε diagramjára, amellyel a vizsgálatot végzők nem rendelkeztek. Ezért az eredmények kiértékeléséhez más módszert kellett használni. A Rába termékpalettáján szerepel egy jelenleg is gyártott üzemanyagtartály, amelyet az S91 midibusz alvázába építenek be. E tartály megkapta már a hatósági jóváhagyást, ezért használható összehasonlítási alapul.
Az új üzemanyagtartály anyagminősége megegyezik ennek a tartálynak az anyagminőségével. Ebből adódik az a kézenfekvő feltételezés, hogy ha a két tartály VEM számításainak eredményei hasonlóak, akkor várhatóan az új tartály is megfelel a vizsgálati követelményeknek. Az összehasonlításhoz elvégezték a jóváhagyott tartály szilárdsági analízisét is (5.).
Az új tartály számítási eredményeit kiértékelve és összehasonlítva a referenciaszámítás eredményeivel az látszik, hogy az újabb üzemanyagtartályon lényegesen magasabb feszültségek keletkeznek ugyanazzal a terheléssel, ezért fennáll annak a veszélye, hogy a vizsgálatnál repedés keletkezik (6.). A tartályt módosítani kell, mivel jelentős mértékű feszültség alakult ki a nagy felületek megfogásánál, illetve a fenéklemezen a merevítés céljából alkalmazott profilos benyomásnál.
Kézenfekvőnek tűnik, hogy a tartály nagyobbik részébe is érdemes berakni egy hullámtörőt, amely gátolja a nagyobb deformációt, és várhatóan lecsökken a feszültség az oldallemezek megfogásánál. A fenéklemezen pedig a merevítő benyomások helyett belülről X alakban ráhegesztett kalapprofilt alkalmaznának, amelynek alakjával a kívánt merevítés elérhető (7.).
Kiváló szimulációs eredmények
A módosított üzemanyagtartállyal elvégzett VEM számítás eredményei visszaigazolták, hogy a módosítások jelentősen csökkentették a túlnyomás hatására kialakuló feszültségeket (8.). A végleges tartályon kisebb feszültségek ébredtek, mint az első változaton vagy a korábbi jóváhagyott tartályon. Egyébként a szilárdsági számítások eredményeiről készült képeken egységes a feszültségszintekhez tartozó színskála beállítása, illetve a deformáció is arányos a három eredményről készült képeken (5., 6., 8.) .
A vizuális összehasonlítás alapján is látható a feszültségszintek és a deformációk eltérése a régi és az új tartály, illetve annak két változata esetében. A végeselemes számítások alapján már elkészíthető volt a gyártási dokumentáció a mintadarabok legyártásához. Időközben a tartályon elvégezték a szükséges hatósági vizsgálatokat, amelynek alapján a tartályt megfelelőnek minősítették.
