鋁合金卡車油箱支架輕量化結構設計與CAE 分析*

王寶祥 ，王 峰 ，段素萍 ，李洪廣

（1.沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.中國重型汽車集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

近年來，隨著國家“雙碳”戰略的實施，“節能降耗，減排環保”已成為汽車制造業發展的重要課題[1]。研究表明，汽車本身的輕量化是降低汽車耗油量、減少二氧化碳排放量的有效手段之一[2]。特別是在重卡行業，由于目前混合動力、電動、燃料電池等新能源汽車技術的應用比較有限，故降低車重仍是重卡最易實現且最有效的技術手段[3]。數據顯示，車體重量約占整車總重量的30%。在車輛空載時，大約70%的燃油將消耗在車體重量上。車體重量每減少100 kg，能夠節省0.6 L 的燃料[4]。因此，輕量化在未來汽車的發展中將起到重要的推動作用。

在保證零件使用安全可靠性的條件下，利用密度小、比強度高的輕質材料是輕量化的重要選擇。鋁合金具有密度低、力學性能佳、加工性能好、無毒、易回收、導電性好、傳熱性及抗腐蝕性能優良等特點[5]，是制作卡車油箱支架的首選材料。目前，以鋁代鋼的產品已經逐漸滲透至工業的各個方面。比如，廈門某汽車有限公司通過簡單的材料替換與厚度調整成功實現了整車骨架的以鋁代鋼，且屈服強度與安全系數均達標[6]；蘇州某汽車零部件公司在研發中空助力器殼體時，將鋼材改為了鋁材并且各項力學性能均達標[7]。由此可見，在油箱支架上實現以鋁代鋼是比較可行的。

目前，卡車鋁合金輕量化產品有發動機懸置支架、翼子板支架、后處理安裝支架及尿素箱支架等，鋁合金重卡油箱支架產品已經顯示出良好的應用前景，但目前該產品的實際生產尚未見報道[8]，這與鋁合金有限的強度有一定的關系[9]。但相關研究結果表明，通過優化零件結構和改進加工技術，可以提高鋁合金的性能，擴大其用途，而這些方法中結構優化設計可以降低成本，充分發揮鋁合金的特性。經行業內部調研，目前國內商用車整車廠已經開始嘗試開發鋁合金重卡油箱支架，且一些樣件已完成臺架試驗等可靠性試驗。一些廠商[10]研發的燃油箱托架中心設有凹槽，在所述燃油箱托架兩端凹槽的側壁上均設有通孔；燃油箱托架一端通過平頭銷穿過通孔、箍帶頭部襯套與燃油箱箍帶的一端連接，且平頭銷伸出端由開口銷固定。該結構不僅起到了很好的減重效果，而且還避免了支架與油箱的滑動。在產品開發過程中，國外汽車制造商基于有限元軟件的零部件結構靜態、動態分析技術已經成熟，研究領域已經擴展到碰撞分析、瞬態響應、噪聲分析等[11]。因此，采用有限元分析方法研究鋼質支架鋁合金化的可行性，并對油箱支架進行結構優化，能夠使鋁合金油箱支架在卡車上得到更安全可靠的應用[12]。本文針對某卡車鋼質油箱支架輕量化的需要，擬采用鋁合金壓鑄件替代原鋼質鈑金件。根據鋼質油箱支架的結構尺寸、安裝尺寸和鋁合金壓鑄件輕量化設計原則設計出鋁合金油箱支架，并利用有限元分析軟件對油箱支架結構進行了受力分析，以期為鋁合金油箱支架的應用提供依據。

1 油箱支架的結構設計

油箱是汽車動力系統的主要部件，油箱支架起著固定和支撐油箱的作用[13]。油箱支架不僅承受油箱和燃油的重量，而且還受到路面沖擊的載荷。支架服役中一旦出現失效情況，油箱就會掉落，對車輛安全性造成很大影響。此外，輕量化的油箱支架將減輕動力系統的重量，從而有助于提高車輛的燃油經濟性。就本研究中的重卡而言，油箱和燃料的總重量過重，油箱支撐的使用環境比較苛刻。為此，足夠的強度是油箱支架必備的性能指標之一，應合理有效地設計油箱支架以最大限度地減輕重量并滿足強度性能要求，從而保證其具有較高的安全可靠性[14]。

1.1 鋼質油箱支架結構尺寸

原鋼質油箱支架采用沖壓工藝成形，其三維實體模型如圖1 所示。鋼質油箱支架外形尺寸約為660 mm×120 mm×720 mm，材料為Q420B 鋼，質量為9.862 kg，壁厚尺寸為4 mm，整體工件屬于不規則形狀的薄壁件。

圖1 鋼質油箱支架的三維立體模擬圖

油箱支架的安裝關系如圖2 所示，780 L 油箱需要三個油箱支架進行支撐，支架一端通過四個螺栓與車架相連，另一端與油箱拉帶相連。

1.2 鋁合金油箱支架結構設計

根據鋼質油箱支架的結構尺寸、安裝尺寸和壓鑄件結構設計原則，綜合考慮合金性能、壓鑄件的受力狀態、工作環境、生產條件以及經濟性和可利用性等[15]，對鋁合金油箱支架進行了設計。主要設計過程如下：1）鋁合金油箱支架的安裝位置與原鋼質支架一致，即安裝邊界條件不變；2）支架采用壓鑄工藝，為了便于壓鑄成形，選取開模方向為L 形支架平面的垂直方向，除兩端固定位置外，整個截面采取工字型設計，如圖3 所示；3）由于壓鑄件的壁厚較薄，針對負荷有限的情況，在工字型兩側凹槽內增添三角型加強筋，以提高鋁合金支架的結構強度；4）為了減少壓鑄件的卷氣缺陷，支架壁厚不應太大，故本設計中工字型部分的壁厚為8 mm（見圖3）。

所述鋁合金支架本體的兩側面均內挖形成有若干凹槽，且相鄰所述凹槽之間構成加強筋。考慮到穩定性，決定采用三角型加強筋，如圖4 所示。

圖4 三角型加強筋

設計的鋁合金油箱支架三維實體模型如圖5 所示。鋁合金支架質量為5.701 kg，材料為ADC12，相較于鋼質油箱支架，鋁合金支架質量減輕42.2%。

圖5 鋁合金油箱支架三維實體模型

1.3 有限元模型建立與導入

對油箱支架模型進行離散化處理。在有限元分析軟件中導入三維幾何模型時，為避免由于接口問題而造成導入模型表面無法貼合、間隙或邊界錯位等錯誤，導致分割單元的質量較低，解決進度和效果較差等問題，在劃分支架的網格之前，有必要對支架的立體模型進行檢查，在確認模型沒有進一步的缺陷之后，再劃分支架的網格[16]。剖分四面體網格，每一個單元有4 個節點，安裝孔0 自由度，銷子內孔的自由度為1，其余位置的自由度均為6；劃分后的單元總數量為8 026 886 個。鋁合金油箱支架在劃分單元格后的有限元模型如圖6所示。

圖6 鋁合金油箱支架有限元模型

1.4 材料性能及物性參數

原鋼質油箱支架材料為Q420B 鋼，其力學性能為σb=617 MPa、σs=420 MPa、δ=5%，現擬用鋁合金ADC12代替，其力學性能為σb=230 MPa、σs=170 MPa、δ=1%[17]。鋁合金和鋼材料的物性參數如表1所示，將上面的數據分別導入有限元軟件的數據庫當中。

表1 鋁合金和鋼材料的物性參數

1.5 邊界條件及施加載荷

1.5.1 邊界條件

油箱支架起到支撐油箱的作用，在車輛行駛時，油箱支架主要承受油箱和燃油的重量載荷。根據油箱支架在卡車中的空間位置，設置原點坐標及坐標軸。在汽車坐標系中，x負方向為汽車行駛方向，y正方向指向汽車右側，z正方向指向汽車上方。油箱系統和車架縱梁連接，全約束縱梁兩端[18]。油箱支架裝配示意圖如圖2 所示。支架整體呈現“L”形；鋁合金油箱支架上半部分通過四個M14 的安裝孔固定，上下兩個孔是和綁帶預緊螺栓配合的銷孔。

1.5.2 邊界及載荷設置

基于卡車中支架的位置和工作狀況，首先定義了邊界條件，由于在實際工作環境中油箱支架與其后面車架的連接起到了固定作用，所以4 個M14 孔為全方位約束；安裝孔與卡車車架緊密連接，不設置自由度；銷子只有沿軸線轉動，設置1 個自由度；其他的地方設置6 個自由度；每個油箱支架施加垂直于地面方向的集中載荷為6 860 N（假設油箱支架的下底面與地面平行），其計算過程為：3×9.8 m/s2×700 kg÷3=6 860 N（重力加速度取9.8 m/s2；考慮到安全性，選取3g的加速度來計算；油箱加滿油的重量為700 kg；一個油箱有三個支架，平均每個支架的集中載荷為6 860 N）。支架上下螺旋孔中通過銷子與綁帶固定，應力分析時綁帶用彈簧單元近似處理，計算后，彈簧剛度系數K=18 375 N/mm，邊界與加載條件如圖7所示。

圖7 邊界與加載條件

2 油箱支架有限元模擬分析結果

依據油箱支架的邊界和加載條件，分別對原鋼質油箱支架與鋁合金油箱支架進行了有限元分析，其等效應力模擬結果如圖8 所示。由圖8 可知，鋼質油箱支架在有限元分析后的等效應力分布情況和大小與鋁合金油箱支架的數據大致相似，最大應力值位置（圖8中紅色區域）與數值如表2所示。

表2 兩種材質的支架模擬結果對比

從圖8 中的結果可以看出，兩種材質支架的受力區域基本一致，都在最下方安裝孔的下面。鋁合金支架的最大應力面積要大于鋼質支架的最大應力面積；兩種材質支架的應力最大值區域也基本相同，都在支架中部靠上的地方。兩支架受到的最大應力值都低于各自材料的屈服強度。然后從安全系數的角度展開研究，安全系數指的是在工程設計的過程當中，所用材料的失效應力與目標應力的比值[19]。一般情況下，為了確保設計零件的安全性，設計者會將載荷、零件的構造以及選取材料的不同作為依據對安全系數進行取值。此外，安全系數也作為一個衡量設計作品是否安全可靠的標準，表征了零件的安全性與可靠性。

計算兩種材質支架的安全系數，安全系數的計算公式如（1）所示。

式中，n為安全系數，σ0為失效應力，[σ]為許用應力。

由于兩支架材料鋼與鋁合金都屬于彈塑性材料，依據屈服標準，由彈塑性材料所構成的零件，其失效應力應該等于其材料的屈服強度極限。在一般載荷下，就塑性材料而言，ns=1.5～2.0。

式中，ns為塑性材料安全系數，σs為屈服強度，[σ]為許用應力。

鋼質支架的安全系數計算過程：ns=420 MPa/323.44 MPa=1.30。

鋁合金支架的安全系數計算過程：ns=170 MPa/124.511 MPa=1.37。鋁合金螺栓孔由于過約束導致應力集中，所以鋁合金支架的安全系數無需考慮螺孔處，而其他位置的應力值都小于鋁合金的屈服強度（除螺孔處外，鋁合金支架最大的應力值是124.511 MPa）。

在模擬完成后，計算這兩種支架的安全系數（這里將最大應力作為許用應力），得出鋁合金支架的安全系數為1.37，其略大于鋼質支架的安全系數1.30。這說明，即使鋁合金的抗拉強度和屈服強度都要弱于鋼，但是由于對支架結構進行了優化設計，提高了鋁合金的安全系數[20]，使其能夠超過原鋼質支架的安全系數，即在達到零件輕量化目標的同時也達到設計可靠性的要求。

兩種材質支架的位移云圖如圖9所示。

圖9 位移云圖模擬結果

由圖9可知，兩種支架的Z向最大位移量均位于支架上遠離車架最遠端的位置，其數值分別為5.9 mm（鋼質支架）和3.8 mm（鋁合金支架）。這說明鋁合金支架的最大位移量小于鋼質支架的最大位移量，所以鋁合金支架的變形量更小，安全可靠性更高。

3 工藝經濟性對比分析

原鋼質支架采用沖壓成形工藝，其由四個沖壓工序成形，工序煩瑣；由于鋼材有塑性回彈，在彎曲成形后易使工件產生變形，導致支架形狀和尺寸存在偏差，需要通過校正工序進行整形。而鋁合金油箱支架采用壓鑄工藝成形，工序簡單，一次壓鑄即可獲得工件。壓鑄件的形狀和尺寸可由壓鑄模具保證，壓鑄件尺寸精度較高，表面光潔，并且穩定性好，互換性高。因此，油箱支架采用壓鑄成形可以解決原沖壓工藝易產生力學變形的缺陷，大大降低了制造成本，提高了生產效率。

鋼質沖壓件的成本低，但易變形、重量大；而鋁合金支架輕量化效果明顯，壓鑄生產效率高，尺寸可由壓鑄模具保證。綜合起來對比，若大批量生產，壓鑄工藝要比沖壓工藝成本可控，效益明顯。因此，從經濟性的角度來看，油箱支架采用壓鑄工藝要優于沖壓工藝。

4 結論

1）在相同的外載荷條件下，鋼質和鋁合金油箱支架的應力分布情況大致相同，均符合零件的服役標準。

2）鋁合金油箱支架采用的兩側凹槽+內側加強筋的結構方案，可以明顯改善支架的受力情況，其最大等效應力比鋼質支架減少145.57 MPa，并且具有比鋼質支架更小的等效應變及最大位移量，還具有明顯的輕量化效果，質量減輕42.2%。

3）鋁合金油箱支架通過合理設計的輕量化結構可以提高其安全系數，其安全系數高于原鋼質支架，表明以鋁代鋼生產油箱支架是可行的。