某輕卡一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)分析

李智威

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

輕卡通常指總質(zhì)量在6 t以下的商用車型，主要承擔(dān)城鄉(xiāng)物流運(yùn)輸工作任務(wù)。隨著近年電商業(yè)的飛速發(fā)展，輕卡銷量也節(jié)節(jié)攀升，我國(guó)以江鈴、福田、江淮等輕卡制造廠商為代表，推出一系列直瀑式駕駛室的輕卡車型，不斷滿足用戶的多元化和場(chǎng)景化的需求[1-5]。油箱是輕卡重要的儲(chǔ)存燃油的部件，傳統(tǒng)的輕卡油箱材質(zhì)一般為鐵質(zhì)或鋁合金，油箱容積通常為60 L~120 L，通過(guò)箍帶及懸臂支架固定于車架縱梁一側(cè)。傳統(tǒng)輕卡車型的尿素箱為獨(dú)立系統(tǒng)，其容積為12 L~16 L，也采用懸臂支架將尿素箱固定于車架一側(cè)，為排氣系統(tǒng)提供尿素來(lái)源，促進(jìn)排放目標(biāo)達(dá)成。本研究從油箱和尿素箱系統(tǒng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，減少固定支架系統(tǒng)并應(yīng)用輕質(zhì)材料[6-10]，進(jìn)行輕卡一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，油箱和尿素箱都采用PE材質(zhì)，采用一套箍帶固定支架，在油箱本體進(jìn)行凸臺(tái)設(shè)計(jì)，將尿素箱放置于油箱凸臺(tái)上端，結(jié)構(gòu)緊湊，受力均勻，釋放了整車布置空間，提升了輕卡特種改裝應(yīng)用市場(chǎng)前景，實(shí)現(xiàn)減重15 kg。為了確保一體油箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性，采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度ABAQUS仿真軟件對(duì)一體油箱進(jìn)行了CAE強(qiáng)度分析，詳細(xì)研究了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論強(qiáng)度。同時(shí)，結(jié)合顧客用車場(chǎng)景及道路耐久試驗(yàn)，開(kāi)展了充分的道路耐久試驗(yàn)和專項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該輕量化一體油箱結(jié)構(gòu)緊湊，減重效果顯著，滿足性能目標(biāo)要求的同時(shí)結(jié)構(gòu)新穎，極大地提升了產(chǎn)品品質(zhì)和吸引力。

1 一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)輕卡的油箱和尿素箱為獨(dú)立系統(tǒng)部件，分別安裝于車架一側(cè)，其中油箱采用L型箍帶式支架固定，油箱內(nèi)部設(shè)置了金屬隔板，金屬油箱容積為83 L，而尿素箱采用籠式金屬固定支架固定，尿素箱容積為16 L，油箱與尿素箱相距約500 mm。考慮到輕質(zhì)材料的優(yōu)越性能，本研究開(kāi)展了創(chuàng)新一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，油箱本體及尿素箱系統(tǒng)通過(guò)一套箍帶式支架固定于車架一側(cè)，油箱和尿素箱容積與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持一致，通過(guò)在油箱本體中部設(shè)置凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，將T型尿素箱安置于油箱凸臺(tái)上端，油箱本體和尿素箱都開(kāi)1 mm下沉槽，提高箍帶摩擦力，一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)油箱及尿素箱對(duì)比如圖1所示，該結(jié)構(gòu)新穎緊湊，單車可實(shí)現(xiàn)減重15 kg，降本增效。

圖1 一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)油箱及尿素箱對(duì)比示意圖

2 一體油箱CAE分析

2.1 CAE建模及邊界條件

CAE有限元分析是以數(shù)值分析為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工程輔助設(shè)計(jì)，可快速有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度及油液沖擊等分析工作，節(jié)約大量的物理樣車及試驗(yàn)工裝費(fèi)用。本研究采用非線性ABAQUS軟件，對(duì)某輕卡一體油箱系統(tǒng)進(jìn)行了有限元模型搭建，網(wǎng)格尺寸為4 mm，單元類型為Shell殼單元及四面體Solid實(shí)體單元，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為69 000，網(wǎng)格單元數(shù)量為250 000，在有限元網(wǎng)格模型完成搭建后，進(jìn)行了網(wǎng)格質(zhì)量檢查，確保計(jì)算精度。其中，一體油箱方案（不含燃油）重量為30 kg，油箱本體和尿素箱材料牌號(hào)為HPDE，固定支架為Q235，箍帶為尼龍材質(zhì)，一體油箱有限元邊界模型如圖2所示。

圖2 一體油箱有限元邊界模型

2.2 CAE強(qiáng)度分析

開(kāi)展某輕卡一體油箱CAE強(qiáng)度分析，載荷邊界條件為X向5 g沖擊，Y向5 g加載，詳細(xì)分析油箱本體、尿素箱本體、固定支架和箍帶的強(qiáng)度性能，得到如圖3所示的CAE強(qiáng)度分析結(jié)果。

根據(jù)圖3所示的一體油箱CAE強(qiáng)度分析結(jié)果可以得出，油箱本體在X向5 g工況下，出現(xiàn)最大應(yīng)力為4.1 MPa，小于其材料HDPE的屈服強(qiáng)度23 MPa，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；尿素箱在Y向5 g的工況下，出現(xiàn)最大應(yīng)力為4.9 MPa，小于其材料HDPE的屈服強(qiáng)度23 MPa，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；固定支架在X向5 g工況下，出現(xiàn)最大應(yīng)力為189.2 MPa，小于其材料Q235的屈服強(qiáng)度235 MPa，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；箍帶在Y向5 g工況下，出現(xiàn)最大應(yīng)力為213.6 MPa，小于其材料的屈服強(qiáng)度315 MPa，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。綜合分析可知，本設(shè)計(jì)的一體油箱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能符合設(shè)計(jì)性能目標(biāo)要求。

圖3 一體油箱CAE強(qiáng)度分析結(jié)果

3 一體油箱試驗(yàn)驗(yàn)證分析

輕卡作為重要的商用車型之一，其行駛里程通常為30萬(wàn) km以上且用戶場(chǎng)景和工況復(fù)雜多變，因此，必須充分嚴(yán)格地開(kāi)展整車道路耐久試驗(yàn)，以把控整車及零部件耐久疲勞性能。本研究在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了4.5萬(wàn) km的耐久路試，包括山路、壞路、高速道路、平路等綜合路面，樣車數(shù)量為3臺(tái)，耐久試驗(yàn)條件說(shuō)明如圖4所示。

圖4 一體油箱道路耐久試驗(yàn)條件

按照?qǐng)D4所示的條件進(jìn)行了充分的道路耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，進(jìn)行整車拆解，并對(duì)一體油箱道路耐久樣件進(jìn)行詳細(xì)的分析，試驗(yàn)后的樣件如圖5所示。經(jīng)分析，一體油箱外觀、密封性能、電子功能液位阻值輸出性能均合格，滿足開(kāi)發(fā)耐久性能目標(biāo)要求。

圖5 一體油箱道路耐久試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

綜上所述，本研究結(jié)合數(shù)值分析及汽車設(shè)計(jì)理論，從油箱和尿素箱系統(tǒng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征著手，進(jìn)行輕卡一體油箱輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用一套箍帶固定支架，結(jié)合CAE分析及道路耐久驗(yàn)證試驗(yàn)分析結(jié)果可知：

1）一體油箱在X向5 g沖擊，Y向5 g加載工況下，油箱本體最大應(yīng)力為4.1 MPa，小于其材料HDPE的屈服強(qiáng)度；尿素箱最大應(yīng)力為4.9 MPa，小于其材料HDPE的屈服強(qiáng)度；固定支架最大應(yīng)力為189.2 MPa，小于其材料Q235的屈服強(qiáng)度；箍帶最大應(yīng)力為213.6 MPa，小于其材料屈服強(qiáng)度315 MPa。故一體油箱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能符合設(shè)計(jì)性能目標(biāo)要求。

2）一體油箱道路耐久試驗(yàn)完成后，其外觀、密封性能、電子功能液位阻值輸出性能均合格，滿足開(kāi)發(fā)耐久性能目標(biāo)要求。研究結(jié)果表明，一體油箱結(jié)構(gòu)緊湊，受力均勻，釋放了整車布置空間，提升了輕卡特種改裝應(yīng)用市場(chǎng)前景，實(shí)現(xiàn)減重15 kg，結(jié)構(gòu)新穎，極大地提高了產(chǎn)品品質(zhì)和吸引力。