基于CAE技術(shù)解決某車型燃油箱防浪板斷裂問題

張允峰 張偉松 蔣發(fā)軍 唐基榮

摘要：某車型在開發(fā)階段燃油箱晃動耐久臺架試驗過程中，油箱內(nèi)部防浪板發(fā)生斷裂。本文基于晃動耐久臺架試驗結(jié)果、線性疲勞損傷理論與nCode技術(shù)，利用簡化后的力學(xué)模型進行分析，找到問題原因。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、CAE校核通過后，實物順利通過晃動耐久試驗，從而解決油箱防浪板斷裂問題，為問題的解決提升了效率。

Abstract： The baffler of fuel tank was broken when doing fuel tank slosh durability test in the development in one vehicle program。This text was based on result of the fuel tank slosh durability test ， linear fatigue damage theory and nCode Technology， using the simplified mechanical model to find out the cause of problem. After structure optimization and CAE checking，the baffler sample passed the fuel tank slosh durability test . The? problem of broken baffler was solved ，and the experience enhance the efficiency of problem solving.

關(guān)鍵詞： 燃油箱;防浪板;斷裂;晃動耐久

中圖分類號：U464.136.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0045-02

0? 引言

隨著客戶的追求不斷提高、整車NVH性能不斷提升，燃油箱內(nèi)燃油晃動異響現(xiàn)象逐漸得到重視。金屬油箱設(shè)計上往往要在油箱內(nèi)部增加防浪板來減小、甚至消除油箱晃動異響。而由于防浪板在油箱內(nèi)不斷的受到液體前后沖擊，其可靠性就成為主機廠必須關(guān)注的風(fēng)險點。因整車路試與客戶實際使用過程中剎車頻率與次數(shù)差距較大，往往用臺架晃動耐久來對防浪板可靠性進行驗證。

某車型按照GMW14801對油箱進行晃動耐久測試時油箱內(nèi)防浪板發(fā)生斷裂。本文根據(jù)線性疲勞損傷累積理論，利用nCode軟件等分析手段，結(jié)合臺架試驗結(jié)果，反向求出油箱晃動耐久時防浪板受力情況，探尋失效原因。后優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并再次通過上述分析手段、臺架驗證，順利解決了防浪板斷裂問題。

1? 防浪板結(jié)構(gòu)特點與試驗條件

某車型燃油箱防浪板：防浪板由薄鋼板沖壓成型，材料為寶鋼的BUSD，厚度0.7mm，通過三個焊腳點焊在油箱上殼體，整體為C型結(jié)構(gòu)，防浪板上開了若干通孔，總高度138mm。該油箱額定容積為50L，其75%額定容積液面高度為162.2mm，防浪板約有一半（63.4mm）位于液面以下。該燃油箱根據(jù)GMW14801試驗要求，在75%額定容積液體下進行1.25Hz、位移±7.6 cm晃動耐久測試，在做到319285次后，防浪板發(fā)生斷裂。首先開裂點位于左側(cè)第一個焊腳外側(cè)（見圖1）。

2? 有限元仿真

2.1 網(wǎng)格劃分

為了提高分析效率，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)建立簡化分析模型。分析關(guān)注的點在油箱防浪板，可以將油箱上殼體截取與防浪板焊接區(qū)域，與防浪板伸出翻邊結(jié)構(gòu)采用點焊連接。網(wǎng)格劃分及材料（前處理采用Hypermesh，求解器采用Optistruct）薄壁零件采用四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格組成的混合網(wǎng)格（四邊形網(wǎng)格為主），網(wǎng)格大小5mm，采用直徑6mm點焊。防浪板材料及其固有力學(xué)性能參數(shù)見表1。

2.2 受力分析

由于燃油箱晃動耐久試驗時防浪板受到的是液體慣性在防浪板各個點上產(chǎn)生的阻力，該阻力隨著液體深度、晃動位移不斷變化，其CAE分析難度較大。故我們采用線性疲勞損傷累積理論、結(jié)合臺架晃動試驗結(jié)果，使用nCode軟件進行反向求解出防浪板在該晃動耐久試驗條件下所受到的等效壓強載荷。其計算流程如圖3所示。

根據(jù)線性疲勞損傷累積理論，在多個載荷Si作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)則可定義其總損傷為：

式中：Ni為對應(yīng)于載荷Si的疲勞壽命。當(dāng)循環(huán)載荷的次數(shù)n等于其疲勞壽命N時，就會發(fā)生疲勞破壞、斷裂，即D=1。首先使用Optistruct，假定一個等效壓強P，分析防浪板的應(yīng)力情況。并將等效強度分析模型，跟實際晃動耐久次數(shù)一起輸入nCode軟件，模擬計算零件損傷：當(dāng)作用在防浪板上的等效壓強為1.835KPa時損傷結(jié)果為1，防浪板發(fā)生破壞。（圖4）

當(dāng)在75%油液面與防浪板接觸面上施加X向壓強1.835KPa時，最大米塞斯應(yīng)力點與開裂點吻合，為155.4Mpa，應(yīng)力值偏高。可以判斷，該防浪板整體強度不足，且焊腳支撐力不夠造成應(yīng)力集中，在晃動耐久過程中產(chǎn)生疲勞開裂。（圖5）

3? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升焊腳強度來降低最大米塞斯應(yīng)力：①加寬防浪板的三個焊腳寬度;②去掉第一個焊腳上的定位缺口;③焊腳處添加加強筋。使用Optistruct，在防浪板與油液接觸面上加載等效壓強1.835KPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)第一個焊接連接處，為62.6MPa，較優(yōu)化前降低59.7%。（圖6）

后將應(yīng)力結(jié)果輸入nCode軟件，按試驗工況輸入50萬次疲勞測試計算，結(jié)果顯示零件沒有損傷。（圖7）

4? 驗證總結(jié)

后經(jīng)晃動耐久測試，75%額定容積下50萬次晃動后防浪板未出現(xiàn)斷裂，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的防浪板強度滿足需求。因此，采用簡化后的力學(xué)模型，在線性疲勞損傷累積理論與nCode軟件幫助下，可以用于分析燃油箱防浪板斷裂原因，并指導(dǎo)燃油箱防浪板的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而加快了問題原因分析，提升了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。

參考文獻：

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