基于有限元的礦用燃油箱托架結構優化設計

周文強

摘 要：汽車燃油箱托架是汽車燃油供給系統中的關鍵部件，油箱托架承受著燃油箱本體以及燃料的沖擊，其常見的受力形式多為受到來自路面的沖擊載荷，在其作用下易發生失效。本文主要針對某特種礦用寬體車大容積燃油箱的需求，提出與其所匹配的油箱托架的強度（超強承載能力、抗外界沖擊能力等）設計是否滿足要求。通過利用CATIA進行針對性特殊設計，然后建立燃油箱托架有限元模型。最后，在不同的方案以及工況下，分別賦予不同的材料屬性并利用Optistruct進行求解及強度對比分析，結果表明：在轉向、沖擊和制動的幾種邊界條件下，油箱托架應力最大平均值均在材料最大許用應力范圍內，安全系數得到提升，符合設計要求，避免了應力集中及早期失效現象。

關鍵詞：礦用寬體車 燃油箱托架 有限元分析 優化

1 引言

礦用車寬體車一般在一定的范圍內運行作業，由于其外形尺寸不受限制，為了進一步提高車輛運載量，寬度、高度盡可能的最大化，其寬度已超過JTGB01-2003《公路工程技術標準》[1]和GB1589-2016《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》[2]。寬體礦用車主要是露天礦山的主要運輸車輛，車輛載重大，油耗高，為了提高車輛運載效率，減少日加油次數，為此配備大容積燃油箱。市場上傳統商用車燃油托架結構大部分為“π”型且僅靠模具沖壓成型的鈑金件抵御來自燃油箱本體和燃油本身因涌動所產生的沖擊以及在車輛運行過程中來自路面的沖擊力。由于寬體礦用車作業工況環境極差，路面沖擊大，燃油箱容量大，燃油質量大，燃油箱托架工作環境更加惡劣，因此，常規燃油箱托架結構無法抵御以上上述環境所帶來的磕碰及沖擊，所以對燃油箱托架的強度提出更高要求，對此進行更深一步的優化探究。

2 設計方案

由于常規模具成型的燃油箱托架“π”型結構無法適應礦山作業車輛的需求，且容易失效。本次燃油箱托架結構將采用中厚高強度鋼板拼焊成型（如圖1所示）。

3 有限元模型的建立

燃油箱總成主要由油箱托架、彈性單元、油箱本體、緊固帶等零部件組成，主要起儲存、承載、防震、抗沖擊作用，在充分考慮到燃油箱、墊帶、緊固帶以及托架之間的作用關系的情況下，建立各相關零件完整的計算分析模型[3]（如圖2所示）。

3.1 設計輸入

（1）油箱總成及其附件在整車運行過程中，主要受自身和油液重力作用。故對其進行整車典型工況進行強度分析——沖擊、制動、轉向。由于只關注其結構件強度，故對油液運用耦合質量點來代替。

（2）判定依據：安全因子Sf>1，計算公式：Sf=σs÷σ （1）

公式中，σs為材料屈服值，σ為計算應力結果

3.2 網格劃分

（1）在有限元建模中，網格的分割是一個非常關鍵的部分，它需要涉及到的問題很多，任務量大且繁重，因此，網格的劃分將會對計算的準確性、計算的大小和難度造成很大的影響。建立合理合理的有限元計算模式，通常受到網格數目、單元形狀、網格的稀疏程度等因素的制約。因此在模型導入前處理軟件之前需對模型進行適當的整理，對所分析的零件按照規定正確命名，并針對不利于分析的的幾何模型進行前期處理（如：陽角圓角等）。在劃分網格時，利用HyperMesh導入模型總成，為了減少網格劃分的前處理工作量并快速高效的生成完整的且高質量的有限元模型，需要充分考慮其結構的對稱性、模型的完整性、高質量性。為了更進一步提高本次分析的精度，本次模型采用六面體網格，按總體幾何尺寸及構造特征，將其網格單元的尺寸限定為5mm（如圖3所示）。

（2）在進行了網格劃分之后，檢驗其網格質量是否符合標準規定，其質量對以后的模型計算的效果有很大的影響。影響網格質量的因素有以下幾點：雅克比、翹曲系數、長寬比、單元質量、傾斜度、正交質量等。所以，網格分割是將網格分割成許多個小的網格，前處理作為有限元分析過程中的基礎與重點，網格的劃分與網格的匹配程度、網格質量的優劣直接影響到后續的有限元數值模擬的質量。

3.3 模型材料參數

燃油箱托架除墊帶為橡膠彈性單元外，其余材料均采用510L，具體模型材料參數見表上1。

3.4 邊界條件及載荷

在進行前處理網格劃分后對模型進行邊界條件的定義。為更貼近燃油箱托架實際工作狀態，對邊界條件定義如下：油箱托架、燃油箱、緊固帶、墊帶的接觸視為緊密接觸，在其各部件接觸處模擬接觸力，以此來充分體現出燃油箱總成的實際受力狀況。對油箱托架與車架安裝孔施加固定約束，對下方分別施加沖擊加載、制動加載以及沖擊加載沖擊（Z向-6g）、制動（X向-1g）、轉向（Y向0.8g），以此為加載條件進行模擬寬體礦用車在行駛作業時油箱托架各部位的受力實際情況。

4 仿真計算結果分析

4.1 燃油箱托架焊縫結果分析

如圖4所示，燃油箱托架焊縫處在三種不同工況下的加載后所對應的應力云圖。

從結算結果來看，燃油箱托架焊縫處在三種不同的工況下進行加載求解，結果表明三種不同工況下焊縫處的最大應力為：沖擊：80.762MPa、轉向：17.236 Mpa、制動：85.630 MPa均滿足強度要求，沖擊安全系數：2.9符合設計標準。

4.2 燃油箱托架結構結果分析

如圖5所示，燃油箱托架結構在三種不同工況下的加載后所對應的應力云圖。

從計算結果來看，燃油箱托架結構處在三種不同的工況下進行加載求解，結果表明三種不同工況下的最大應力為：沖擊：>345MPa MPa、轉向：157.655 Mpa、制動：125.408 Mpa，除沖擊工況下不滿足要求外，沖擊安全系數：0.92，其余轉向、制動均滿足強度要求。

（1）由于在沖擊工況下，燃油箱托架結構最大應力不滿足強度要求，因此現將燃油箱托架進行不同材料規格的加載受力對比分析（如表2所示）。

（2）根據上述材料規格參數表，將燃油箱托架按照三種不同材料屬性匹配，再次進行加載邊界約束，其最大應力分析結果如下（如圖6所示）。

經過三種不同材料規格在沖擊工況下加載分析情況來看，規格3材料結構在該沖擊工況下的最大應力完全滿足強度要求，結合折彎圓角處的受力情況，T=10mm處平均應力為295.945MPa，安全系數提升至1.2，符合設計標準。

5 結語

通過利用HyperMesh工具對某特種寬體礦用車燃油箱托架在沖擊、轉彎、制動三種不同工況下進行靜強度計算分析以及對比，在分析前處理時提前進行規劃策劃，有效的減少了設計的重復性與盲目性，提高了設計工作的效率，通過更改材料規格將原有的燃油箱托架安全系數由0.92提升至1.2，且強度完全滿足設計要求與客戶使用需求，可以進行下階段樣件試制工作。

參考文獻：

[1]中國工程建設標準公路委員會. 公路工程技術標準：JTGB01-2003 [S].北京朝陽區：人民交通出版社 ，2003.

[2]中國國家標準化管理委員會.機動車運行安全技術條件：GB7258-2017[S].北京西城區三里河：中國標準出版社，2017.

[3]呂若塵，任工昌.商用車油箱支架有限元分析及優化[J].制造業自動化，2014，07 84.

[4] 趙衛艷.商用車油箱支架疲勞壽命仿真分析[J].價值工程，2011，12.

[5]霍裕蓉.某特種汽車燃油箱支架結構優化設計[J].建筑機械，2021.02.

[6]王靜，劉俊，趙莉.基于ABAQUS有限元模擬的油箱支架強度分析[J].汽車實用技術，2019.10.