燃油箱系統(tǒng)等效應(yīng)力分析及改進*

方治華，徐波，賈宏玉

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燃油箱系統(tǒng)等效應(yīng)力分析及改進*

方治華，徐波，賈宏玉

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

為了研究礦用自卸車燃油箱系統(tǒng)支架與車架縱梁之間的角焊縫出現(xiàn)開裂的原因，建立有限元模型，考慮路面不平度的影響，通過有限元分析軟件Adina對不同充液高度條件下的兩種燃油箱壁厚進行流固耦合數(shù)值計算。計算結(jié)果表明在不同充液高度條件下降低燃油箱壁厚時，車架縱梁上的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的降低。

流固耦合；Adina；充液高度；燃油箱壁厚；路面不平度

前言

燃油箱內(nèi)的油液晃動是一個典型的流固耦合問題，油液在晃動過程中會對燃油箱系統(tǒng)產(chǎn)生壓力載荷，進而引起燃油箱厚壁的變形或運動，同時厚壁的變形或運動又會反過來作用影響流場的變化，進而改變油液載荷的分布和大小[1]。從使用安全的角度來看，有必要對不平度影響下的燃油箱系統(tǒng)最大等效應(yīng)力進行分析。孫利民等[2]使用ANSYS軟件對輕型油罐罐體進行了流固耦合分析。張海華[3]使用流固耦合的方法對直升機油箱進行抗墜毀性能分析。韋杰創(chuàng)[4]研究了航空彈性薄壁油箱的疲勞壽命問題。

1 有限元模型建立

建立礦用自卸車燃油箱系統(tǒng)有限元模型，如圖1所示。燃油箱----系統(tǒng)材料為Q 345鋼，燃油箱系統(tǒng)----壁厚為10 mm，材料是線彈性的、均勻和各向同性的，彈性模量為2.1×1011Pa，密度為7800kg/m3，泊松比為0.3，重力加速度為9.8m/s2，燃油箱直徑為2m，長度為1m；箱內(nèi)液體為燃油，密度為850 kg/m3。考慮到燃油箱系統(tǒng)壁厚比較薄，故選用shell單元，燃油選用3D-fluid單元。限制左邊車架縱梁的四條邊，并且考慮液體表面重力波的影響，將液體表面流體勢設(shè)置為free surface。

考慮到礦用自卸車的行駛路況，在此選擇C級路面進行模擬，如圖2所示為利用Matlab軟件繪制的礦用自卸車以車速60km/h直線行駛工況下生成1分鐘的C級路面不平度曲線。由于礦用自卸車的輪胎，懸掛及減震系統(tǒng)的緩沖作用，作用在礦用自卸車的載荷譜和路面譜會有所不同。由位移曲線得到加速度曲線，綜合各方資料并將其縮小為0.8倍，以此作為分析整個系統(tǒng)的激勵來源。

圖1 燃油箱系統(tǒng)有限元模型圖

圖2 C級路面不平度曲線

2 燃油箱壁厚為10 mm時車架縱梁等效應(yīng)力分析

得到燃油箱壁厚為10 mm時不同充液高度條件下的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖3可以看到最大等效應(yīng)力在車架縱梁的左上部分和右上部分，在左上頂部和右上頂部為次級大值區(qū)域，并且向周圍逐漸減小；車架縱梁左下部分和右下部分為下半部分的最大值；等效應(yīng)力呈左右對稱分布。車架縱梁最大等效應(yīng)力在燃油箱壁厚為10 mm，充液高度分別為0.2 m,0.6 m,1.0 m,1.4 m,1.8 m時分別為49.32 MPa，71.30 MPa，98.23 MPa，126.3 MPa，151.1 MPa。

3 燃油箱壁厚為8 mm時車架縱梁等效應(yīng)力分析

得到燃油箱壁厚為8 mm時不同充液高度條件下的等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 燃油箱壁厚為8 mm時車架縱梁等效應(yīng)力

由圖4可見車架縱梁最大等效應(yīng)力在燃油箱壁厚為8 mm，充液高度分別為0.2 m，0.6 m，1.0 m，1.4 m，1.8 m時分別為41.09 MPa，63.13 MPa，90.08 MPa，118.8 MPa，141.6 MPa。

4 燃油箱壁厚為10 mm和8 mm時車架縱梁最大等效應(yīng)力對比

燃油箱壁厚為10 mm和8 mm時車架縱梁最大等效應(yīng)力對比如表1所示。

表1 燃油箱壁厚為10 mm和8 mm時車架縱梁最大等效應(yīng)力對比

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，在路面不平度影響下車架縱梁最大等效應(yīng)力在不同充液高度條件下燃油箱壁厚為8 mm時較10 mm時有一定程度的降低，最大幅度為16.69%，說明燃油箱壁厚為8 mm時具有更高的安全性。

5 結(jié)論

本文建立有限元模型，考慮路面不平度的影響，通過有限元軟件Adina對不同充液高度條件下的兩種燃油箱壁厚進行流固耦合數(shù)值計算，得到以下結(jié)論。

（1）在不同充液高度條件下降低燃油箱壁厚時，車架縱梁上的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的降低。

（2）燃油箱壁厚為8 mm車架縱梁最大等效應(yīng)力較10 mm有一定程度的降低，最大幅度為 16.69%，說明燃油箱壁厚為8 mm具有更高的安全性。

[1] 朱代義.基于流固耦合的礦用自卸車燃油箱動態(tài)特性分析[D].長沙:湖南大學(xué),2009.

[2] 孫利民,張慶華,趙勇.臥式圓形儲油罐液固耦合模態(tài)分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2005,26(2):32-35.

[3] 張海華.基于流固耦合的直升機油箱抗墜毀性能分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013.

[4] 韋杰創(chuàng).航空彈性薄壁油箱的流固耦合分析與疲勞壽命預(yù)測[D].威海:山東大學(xué),2018.

Equivalent Stress Analysis and Improvement of Fuel Tank System*

Fang Zhihua, Xu Bo, Jia Hongyu

( School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Inner Mongolia Baotou 014010 )

In order to study the causes of cracking in fillet weld between the support and the longitudinal beam of the frame of the fuel tank system of a mining dump truck, a finite element model was established. Considering the influence of road roughness, the wall thickness of two fuel tanks under different filling heights was calculated by the finite element analysis software Adina. The results show that the maximum equivalent stress on the longitudinal beam of the frame decreases in varying degrees when the wall thickness of the fuel tank is reduced at different filling heights.

Flui Solid Coupling;Adina;Liquid Filling Height;Fuel Tank Wall Thickness;Road Roughness

U467

A

1671-7988(2019)09-113-03

U467

A

1671-7988(2019)09-113-03

方治華（1962-），男，碩士，教授，從事動力學(xué)和振動及其工程應(yīng)用研究工作。

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金（2018LH01006）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.037