孫 釗 吳子文

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

1 前言

現(xiàn)代轎車(chē)的結(jié)構(gòu)追求輕量化，燃油箱的外形往往設(shè)計(jì)得比較復(fù)雜，并且傳統(tǒng)的油箱的生產(chǎn)是按照設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)—修改—再試制—再試驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程，一個(gè)新油箱從設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間在設(shè)計(jì)以及樣件修改中。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)新車(chē)型研發(fā)速度要求不斷提升，傳統(tǒng)的燃油箱開(kāi)發(fā)模式設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高，很難滿足對(duì)汽車(chē)油箱開(kāi)發(fā)、更新的快速響應(yīng)的要求。對(duì)此開(kāi)展對(duì)乘用車(chē)油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，并使用三維軟件UG和有限元分析軟件Hyperworks來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)—建?！治觥俳！囍啤囼?yàn)的過(guò)程，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

2 振動(dòng)耐久性試驗(yàn)要求

按國(guó)標(biāo)《汽車(chē)燃油箱安全性能要求和試驗(yàn)方法（GB 18296-2001）》4.3 項(xiàng)規(guī)定，來(lái)校核燃油箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。按表1的要求對(duì)燃油箱進(jìn)行試驗(yàn)，考慮半箱水（即燃油箱額定容量的1/2的水）對(duì)燃油箱的強(qiáng)度影響[1]。

表1 燃油箱的振動(dòng)耐久性試驗(yàn)要求

3 燃油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及準(zhǔn)則

進(jìn)行燃油箱開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，一般要遵循以下準(zhǔn)則[2]：

（1）法律法規(guī)。設(shè)計(jì)燃油箱是要按照國(guó)家法律法規(guī)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）工藝性。盡量保證設(shè)計(jì)出的燃油箱在后期的加工制造中能更加方便制造。

（3）功能性。燃油箱要滿足使用要求，即保證汽車(chē)一箱油能行駛500公里以上。

3.1 油箱材質(zhì)的選擇

現(xiàn)代轎車(chē)為追求輕量化，油箱的材質(zhì)一般由厚度1 mm左右的普通鋼板焊接而成。此次油箱采用Q235鋼作為油箱的材料，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)車(chē)型和容量考慮油箱所使用的板厚，加工方式以折彎為主，盡量減少焊接，以增加油箱的強(qiáng)度，同時(shí)也可以減少漏油的可能。最終選用0.8 mm板材制作油箱時(shí)，在板材上可以采取壓筋的形式，必要時(shí)制作骨架或凸肋，以減少變形。

3.2 確定燃油箱的容積

汽車(chē)燃油箱應(yīng)能保證乘用車(chē)的續(xù)航能力，一般燃油箱容積都要保證油箱加滿油后，能行駛600公里左右，不會(huì)少于500公里，初步選用額定容積為60 L的燃油箱。

3.3 油箱結(jié)構(gòu)的初步確定

在油箱的設(shè)計(jì)中，油箱的底部應(yīng)有適當(dāng)?shù)男倍?，并在最低處設(shè)置放油塞，在換油的時(shí)候可以使油液和雜質(zhì)順利排出。各油口的設(shè)計(jì)也非常重要，吸油口和回油口的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)，以增加油液循環(huán)的距離，使油液有足夠的時(shí)間分離氣泡、沉淀雜質(zhì)，同時(shí)也有利于散熱[3]。在確定大概的油箱結(jié)構(gòu)之后，參考某乘用車(chē)現(xiàn)有的油箱結(jié)構(gòu)，在UG中建立初步模型。如下圖分別為油箱的上殼體（圖1）和油箱的下殼體（圖2）。

圖1 油箱上殼體

圖2 油箱下殼體

4 油箱的有限元分析

應(yīng)企業(yè)要求，對(duì)油箱進(jìn)行模態(tài)分析以及應(yīng)力分析，找出油箱受力相對(duì)薄弱的位置。將油箱模型導(dǎo)入Hyperworks中抽取中面、劃分網(wǎng)格等處理。網(wǎng)格劃分等前置處理通過(guò)Hypermesh來(lái)完成，對(duì)模型抽取中面等精簡(jiǎn)后，采用尺寸為5 mm的殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格單元主要以四角形單元為主，三角形單元為輔，焊縫采用adhesives方式模擬連接[4]；厚度設(shè)置為0.8 mm。

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析按照以上步驟進(jìn)行，最后創(chuàng)建工況進(jìn)行模態(tài)分析，得到油箱的固有頻率如圖3—6及表2所示。

圖3 第一階模態(tài)

圖4 第二階模態(tài)

圖5 第三階模態(tài)

圖6 第四階模態(tài)

表2 改進(jìn)前模態(tài)頻率（單位：Hz）

經(jīng)過(guò)模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)第一階模態(tài)時(shí)，下殼體的右側(cè)位移較大，第二階模態(tài)時(shí)，下殼體左側(cè)位移較大，第三階模態(tài)時(shí)，上殼體右側(cè)位移較大，第四階模態(tài)時(shí)，下殼體右側(cè)和中部位移較大。

4.2 靜力分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建靜力分析的邊界條件和工況。邊界約束條件為模擬燃油箱在實(shí)際使用中裝配和約束的情況，對(duì)油箱上箱頂和箱底的4個(gè)螺栓連接部位施加約束，在螺栓孔處約束其6個(gè)自由度，不考慮螺栓及孔壁間的非線性接觸及摩擦[5]；根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，考慮半箱水（即燃油箱額定容量的1/2的水）對(duì)燃油箱的影響，因此有限元模型的加載方式為在油箱底部施加一個(gè)重力加速度為3 g，質(zhì)量大小為半箱油加載的力。由于油與水的密度相似，故在CAE分析中用水代替油進(jìn)行模擬。靜力分析后，得出如下圖所示的油箱的受力云圖（圖7）和表3。

圖7 油箱的應(yīng)力分布云圖

表3 有限元分析應(yīng)力值（單位：MPa）

經(jīng)過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)在油箱的下殼體左右兩邊處會(huì)有應(yīng)力集中，受到的力較大，油箱會(huì)在此處發(fā)生疲勞斷裂，在下殼體的中部處，受力也較大，中間處的應(yīng)力較其它點(diǎn)處的應(yīng)力較小，但其出現(xiàn)應(yīng)力集中的范圍較大，螺栓處應(yīng)力最大。

5 燃油箱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

基于以上考慮，在下殼體的邊緣處添加加強(qiáng)筋并在加強(qiáng)筋和油箱的主體之間制成圓角以減小應(yīng)力集中，在油箱下殼體中間處制成加強(qiáng)板以增加其強(qiáng)度，中間處的應(yīng)力較小但范圍較大，可以在此處制成加強(qiáng)板或者是制成多個(gè)加強(qiáng)筋并制作圓角以增大其強(qiáng)度和減小應(yīng)力集中，螺孔處可適當(dāng)加厚，最終得到油箱的形狀如圖8和圖9所示。為解決下殼體的應(yīng)力集中和增加油箱的剛度和強(qiáng)度，在下殼體底面設(shè)計(jì)有如圖9的加強(qiáng)筋。為增大燃油箱整體強(qiáng)度，同樣在上殼體與下殼體的連接處（螺孔處）增加加強(qiáng)筋。

圖8 改進(jìn)后油箱上殼

圖9 改進(jìn)后油箱下殼體

對(duì)改進(jìn)后燃油箱的有限元分析，將油箱再次導(dǎo)入Hyperworks中，對(duì)油箱做模態(tài)分析和靜應(yīng)力分析，最后得到油箱的固有頻率及應(yīng)力分布云圖（圖 10—13和表4）。

圖10 改進(jìn)后第一階模態(tài)

圖11 改進(jìn)后第二階模態(tài)

圖12 改進(jìn)后第三階模態(tài)

圖13 改進(jìn)后第四階模態(tài)

表4 改進(jìn)后模態(tài)頻率

將上述四階的模態(tài)頻率與改進(jìn)前有限元分析的模態(tài)頻率對(duì)比。

表5 有限元分析模態(tài)頻率對(duì)比

從燃油箱的模態(tài)分析結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)后油箱殼體的固有振動(dòng)頻率有較大提升，而汽車(chē)行駛過(guò)程中，路面的激勵(lì)頻率一般低于50 Hz，國(guó)標(biāo)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)頻率為30 Hz，改進(jìn)后的固有頻率遠(yuǎn)高于外載荷激勵(lì)，改進(jìn)后油箱不易激起油箱殼體的共振[6]。

圖14 改進(jìn)后應(yīng)力分布云圖

表6 選做測(cè)點(diǎn)的有限元分析應(yīng)力值（單位：MPa）

將上述點(diǎn)的應(yīng)力值與改進(jìn)前有限元分析的應(yīng)力值對(duì)比如表6所示（單位：MPa）。

表7 有限元分析的應(yīng)力值對(duì)比

由表6可知，改進(jìn)后的模型在制作加強(qiáng)筋之后，油箱的強(qiáng)度得到了很大的提升，提升最大幅度達(dá)到66.23%，由應(yīng)力云圖可以看出油箱應(yīng)力較大處主要集中在油箱底部及邊緣處，這是因?yàn)橛拖涞撞科鹬休d的作用。應(yīng)力較大處為加強(qiáng)板連接部位及螺栓邊緣圓弧處，平均應(yīng)力值為107 Mpa。與油箱材料的屈服強(qiáng)度相比，油箱的強(qiáng)度處于安全范圍內(nèi)。由有限元的應(yīng)力數(shù)值看，油箱符合強(qiáng)度要求。

6 電測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，對(duì)改進(jìn)后油箱進(jìn)行樣件試制，取上述中5個(gè)應(yīng)力較大點(diǎn)進(jìn)行電測(cè)試驗(yàn)。

此次的應(yīng)變測(cè)試儀器為DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。電測(cè)試驗(yàn)建立在有限元的基礎(chǔ)上，按照有限元分析結(jié)果對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置。分別在油箱裝有半箱水和滿箱水的條件下進(jìn)行，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)相對(duì)比，驗(yàn)證有限元結(jié)果分析的真實(shí)性，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及合理布置提出建議。

圖15 測(cè)點(diǎn)布置

表8 結(jié)果對(duì)比

根據(jù)電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果對(duì)比得知，有限元分析和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)基本一致。數(shù)據(jù)誤差最大達(dá)到14.7%，但由于測(cè)點(diǎn)應(yīng)力都較小，所以會(huì)致使偏差較大，可以忽略不計(jì)。較改進(jìn)前的模型，改進(jìn)后的模型在加上加強(qiáng)筋和加強(qiáng)板之后，油箱的強(qiáng)度得到了很大的提升，可以滿足油箱的實(shí)際使用要求。由此可以驗(yàn)證有限元的真實(shí)性和可靠性。

7 結(jié)論

傳統(tǒng)燃油箱的設(shè)計(jì)一般經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)—制造—試驗(yàn)—改進(jìn)—再制造的過(guò)程，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)成本高。較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法而言，對(duì)燃油箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，充分利用有限元分析手段，采用設(shè)計(jì)—建?！邢拊治觥倪M(jìn)的設(shè)計(jì)方案，使得燃油箱的設(shè)計(jì)周期大大縮短，成本也顯著降低，并結(jié)合試制樣件進(jìn)行電測(cè)試驗(yàn)，確定基于有限元分析設(shè)計(jì)方案的可行性，為后期的樣件試制及整車(chē)試裝提供有力的保障。在不斷的探索和改進(jìn)中，油箱的結(jié)構(gòu)逐漸趨于經(jīng)濟(jì)化、合理化。