基于有限元的汽車燃油箱結構設計及分析

孫 釗 吳子文

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

1 前言

現代轎車的結構追求輕量化，燃油箱的外形往往設計得比較復雜，并且傳統(tǒng)的油箱的生產是按照設計—試制—試驗—修改—再試制—再試驗的設計流程，一個新油箱從設計到批量生產，需要花費大量的時間在設計以及樣件修改中。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對新車型研發(fā)速度要求不斷提升，傳統(tǒng)的燃油箱開發(fā)模式設計周期長、成本高，很難滿足對汽車油箱開發(fā)、更新的快速響應的要求。對此開展對乘用車油箱的結構設計和強度校核，并使用三維軟件UG和有限元分析軟件Hyperworks來進行設計和校核，經過設計—建?！治觥俳！囍啤囼灥倪^程，大大縮短了設計周期。

2 振動耐久性試驗要求

按國標《汽車燃油箱安全性能要求和試驗方法（GB 18296-2001）》4.3 項規(guī)定，來校核燃油箱的結構強度是否滿足要求。按表1的要求對燃油箱進行試驗，考慮半箱水（即燃油箱額定容量的1/2的水）對燃油箱的強度影響[1]。

表1 燃油箱的振動耐久性試驗要求

3 燃油箱結構設計及準則

進行燃油箱開發(fā)設計時，一般要遵循以下準則[2]：

（1）法律法規(guī)。設計燃油箱是要按照國家法律法規(guī)和企業(yè)標準來進行設計。

（2）工藝性。盡量保證設計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，即保證汽車一箱油能行駛500公里以上。

3.1 油箱材質的選擇

現代轎車為追求輕量化，油箱的材質一般由厚度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，在設計時應根據車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，以增加油箱的強度，同時也可以減少漏油的可能。最終選用0.8 mm板材制作油箱時，在板材上可以采取壓筋的形式，必要時制作骨架或凸肋，以減少變形。

3.2 確定燃油箱的容積

汽車燃油箱應能保證乘用車的續(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 油箱結構的初步確定

在油箱的設計中，油箱的底部應有適當的斜度，并在最低處設置放油塞，在換油的時候可以使油液和雜質順利排出。各油口的設計也非常重要，吸油口和回油口的位置應盡量遠，以增加油液循環(huán)的距離，使油液有足夠的時間分離氣泡、沉淀雜質，同時也有利于散熱[3]。在確定大概的油箱結構之后，參考某乘用車現有的油箱結構，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

應企業(yè)要求，對油箱進行模態(tài)分析以及應力分析，找出油箱受力相對薄弱的位置。將油箱模型導入Hyperworks中抽取中面、劃分網格等處理。網格劃分等前置處理通過Hypermesh來完成，對模型抽取中面等精簡后，采用尺寸為5 mm的殼單元劃分網格，網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]；厚度設置為0.8 mm。

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析按照以上步驟進行，最后創(chuàng)建工況進行模態(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 改進前模態(tài)頻率（單位：Hz）

經過模態(tài)分析，發(fā)現第一階模態(tài)時，下殼體的右側位移較大，第二階模態(tài)時，下殼體左側位移較大，第三階模態(tài)時，上殼體右側位移較大，第四階模態(tài)時，下殼體右側和中部位移較大。

4.2 靜力分析

在模態(tài)分析的基礎上，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際使用中裝配和約束的情況，對油箱上箱頂和箱底的4個螺栓連接部位施加約束，在螺栓孔處約束其6個自由度，不考慮螺栓及孔壁間的非線性接觸及摩擦[5]；根據國家標準，考慮半箱水（即燃油箱額定容量的1/2的水）對燃油箱的影響，因此有限元模型的加載方式為在油箱底部施加一個重力加速度為3 g，質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 油箱的應力分布云圖

表3 有限元分析應力值（單位：MPa）

經過有限元分析發(fā)現在油箱的下殼體左右兩邊處會有應力集中，受到的力較大，油箱會在此處發(fā)生疲勞斷裂，在下殼體的中部處，受力也較大，中間處的應力較其它點處的應力較小，但其出現應力集中的范圍較大，螺栓處應力最大。

5 燃油箱結構的改進

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

圖8 改進后油箱上殼

圖9 改進后油箱下殼體

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

圖10 改進后第一階模態(tài)

圖11 改進后第二階模態(tài)

圖12 改進后第三階模態(tài)

圖13 改進后第四階模態(tài)

表4 改進后模態(tài)頻率

將上述四階的模態(tài)頻率與改進前有限元分析的模態(tài)頻率對比。

表5 有限元分析模態(tài)頻率對比

從燃油箱的模態(tài)分析結果來看，改進后油箱殼體的固有振動頻率有較大提升，而汽車行駛過程中，路面的激勵頻率一般低于50 Hz，國標及企業(yè)標準規(guī)定的振動試驗頻率為30 Hz，改進后的固有頻率遠高于外載荷激勵，改進后油箱不易激起油箱殼體的共振[6]。

圖14 改進后應力分布云圖

表6 選做測點的有限元分析應力值（單位：MPa）

將上述點的應力值與改進前有限元分析的應力值對比如表6所示（單位：MPa）。

表7 有限元分析的應力值對比

由表6可知，改進后的模型在制作加強筋之后，油箱的強度得到了很大的提升，提升最大幅度達到66.23%，由應力云圖可以看出油箱應力較大處主要集中在油箱底部及邊緣處，這是因為油箱底部起著承載的作用。應力較大處為加強板連接部位及螺栓邊緣圓弧處，平均應力值為107 Mpa。與油箱材料的屈服強度相比，油箱的強度處于安全范圍內。由有限元的應力數值看，油箱符合強度要求。

6 電測試驗

為驗證有限元分析結果的真實性和可靠性，對改進后油箱進行樣件試制，取上述中5個應力較大點進行電測試驗。

此次的應變測試儀器為DH3816靜態(tài)應變測試系統(tǒng)。電測試驗建立在有限元的基礎上，按照有限元分析結果對測點進行布置。分別在油箱裝有半箱水和滿箱水的條件下進行，并將測得的數據與有限元數據相對比，驗證有限元結果分析的真實性，進而對結構優(yōu)化及合理布置提出建議。

圖15 測點布置

表8 結果對比

根據電測試驗結果和有限元結果對比得知，有限元分析和試驗的數據基本一致。數據誤差最大達到14.7%，但由于測點應力都較小，所以會致使偏差較大，可以忽略不計。較改進前的模型，改進后的模型在加上加強筋和加強板之后，油箱的強度得到了很大的提升，可以滿足油箱的實際使用要求。由此可以驗證有限元的真實性和可靠性。

7 結論

傳統(tǒng)燃油箱的設計一般經過設計—制造—試驗—改進—再制造的過程，設計周期長、開發(fā)成本高。較傳統(tǒng)設計方法而言，對燃油箱進行結構設計及優(yōu)化改進時，充分利用有限元分析手段，采用設計—建?！邢拊治觥倪M的設計方案，使得燃油箱的設計周期大大縮短，成本也顯著降低，并結合試制樣件進行電測試驗，確定基于有限元分析設計方案的可行性，為后期的樣件試制及整車試裝提供有力的保障。在不斷的探索和改進中，油箱的結構逐漸趨于經濟化、合理化。