基于Abaqus的燃油箱隨機振動疲勞分析

王 帥，陳學(xué)宏，李志敏

（亞普汽車部件股份有限公司，江蘇 揚州 225009）

汽車在行駛過程中不僅受到自身發(fā)動機、電機等部件引起的振動，還會受到由路面不平順產(chǎn)生的激振，使汽車零部件在振動累積作用下產(chǎn)生疲勞損傷。一般在汽車零部件開發(fā)流程中包含對試制樣品進行隨機振動、機械沖擊等物理試驗，來校核其結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能，確保結(jié)構(gòu)的安全性，再針對不足之處進行優(yōu)化改進，這樣不僅開發(fā)周期長，成本高昂，試驗過程中還存在較大安全隱患，為縮減產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，需在產(chǎn)品前期設(shè)計階段運用有限元分析方法進行相關(guān)工況的仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品性能，并結(jié)合相關(guān)評價體系對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

根據(jù)振動傳遞特性曲線可知，當(dāng)激勵頻率很低時，阻尼力與慣性力都很小，激勵力基本與彈性力平衡，該頻率區(qū)域成為剛度控制區(qū)，當(dāng)激勵頻率很高時，慣性力較大，激勵力主要用于克服慣性力，這頻率區(qū)域稱為質(zhì)量控制區(qū)，當(dāng)激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時，慣性力與彈性力平衡，激勵力用來克服阻尼力，這個頻率區(qū)域為阻尼控制區(qū)。由此可知，接近固有頻率時，阻尼大小是影響振動響應(yīng)的重要參數(shù)，直接影響仿真結(jié)果的精確程度。

燃油箱作為底盤重要儲能部件，通過綁帶固定在汽車底盤上，綁帶主要承受燃油箱重力和來自路面的隨機振動載荷，由開發(fā)經(jīng)驗可知，綁帶常見的失效模式為振動疲勞斷裂。為研究燃油箱綁帶在隨機振動條件下振動失效行為，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，本文首先基于掃頻法，對標(biāo)試驗與仿真加速度頻響峰值，確定仿真阻尼參數(shù)大小，隨后基于該阻尼參數(shù)大小，進行燃油箱隨機振動仿真，獲得綁帶Rmises應(yīng)力，初步評判綁帶失效風(fēng)險，并根據(jù)頻響峰值處振型優(yōu)化綁帶結(jié)構(gòu)，最后試制樣件，進行燃油箱隨機振動測試，驗證仿真精度，結(jié)果表明優(yōu)化后的綁帶結(jié)構(gòu)強度較高，未發(fā)生疲勞斷裂，可通過隨機振動試驗。本文研究為縮減產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少試驗次數(shù)，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

1 燃油箱掃頻試驗與仿真

將燃油箱通過綁帶安裝在振動臺架上模擬裝車狀態(tài)，如圖1所示，掃頻范圍0 Hz～150 Hz，掃頻方向為方向，振動輸入加速度為6.7 m/s，掃頻模式為對數(shù)掃頻，掃頻速率為1 otc/min，加速度響應(yīng)點位于兩根鋼帶中心位置上，兩根鋼帶的峰值頻率均為28 Hz，鋼帶1的加速度峰值小于鋼帶2加速度峰值，鋼帶1的共振加速度為42 m/s，鋼帶2的共振加速度為60 m/s。

圖1 燃油箱掃頻試驗

建立油箱和臺架仿真模型，劃分5 mm的殼體網(wǎng)格，上下鋼管材料為Q235，支撐塊材料為鋁，提取油箱模型，部件主要包括油箱本體、減震墊、鋼帶和防浪板等，其中油箱由吹塑成型，材料為多層高密度聚乙烯（High Density Polyethylene, HDPE），平均厚度是5.5 mm，鋼帶和墊片材料都是H420，厚度分別是2.0 mm，減震墊材料是三元乙丙橡膠（Ethylene-Propylene-Diene Monomer, EPDM），厚度是10 mm。鋼帶材料和減震墊用于緊固燃油箱部件，減震墊與臺架直接接觸，鋼帶和夾邊通過螺栓與臺架安裝，燃油箱與臺架完整模型如圖2所示，單獨燃油箱模型如圖3所示。鋼帶一邊有兩個焊點，均采用ACM建模，焊點設(shè)置為普通鋼屬性，材料屬性如表1所示。

圖2 燃油箱與臺架仿真模型

圖3 燃油箱模型

表1 材料屬性

運用Lanczos方法提取前100 Hz頻率，阻尼大小分別設(shè)置為0.005、0.01、0.015、0.02，隨后基于模態(tài)疊加法計算出掃頻結(jié)果，響應(yīng)點位置為兩根鋼帶中心點，如圖4所示，不同阻尼下加速度響應(yīng)曲線如圖5所示，從圖中可以看出，前100 Hz頻響曲線共振峰值在30 Hz附近，鋼帶共振峰值為30.2 Hz，與試驗28 Hz僅相差2 Hz左右，誤差較小。鋼帶1的加速度峰值小于鋼帶2加速度峰值，與試驗現(xiàn)象一致，匯總兩根鋼帶在不同阻尼 下加速度響應(yīng)峰值大小如表2所示，曲線如圖6所示，可以看出隨阻尼增加，加速度頻響峰值逐漸減小，并趨于平緩，表明阻尼對加速度峰值影響逐漸減小。由試驗可知，鋼帶1的共振加速度為42 m/s，鋼帶2的共振加速度為60 m/s，對比仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)阻尼大小為0.015時，鋼帶1的共振加速度為41 m/s，鋼帶2的共振加速度為62 m/s，與試驗結(jié)果接近，對于鋼帶1，仿真結(jié)果比試驗結(jié)果小于1 m/s，對于鋼帶2，仿真結(jié)果比試驗結(jié)果大2 m/s，因此，后續(xù)隨機振動仿真采用的阻尼大小為0.015。

圖4 燃油箱掃頻兩根鋼帶響應(yīng)點位置

圖5 不同阻尼大小鋼帶頻響曲線

表2 響應(yīng)點加速度頻響峰值

圖6 不同阻尼大小鋼帶響應(yīng)峰值大小

提取共振頻率30.2 Hz下油箱振型，如圖7所示，可以看出，振型表現(xiàn)為油箱一端上翹，該位置沒有減震墊約束，剛度較弱，從而引起鋼帶的彎曲振型。

圖7 共振頻率30.2 Hz下油箱振型

2 隨機振動試驗與仿真

功率譜密度函數(shù)（Power Spectral Density, PSD）是穩(wěn)態(tài)隨機過程的頻域描述，PSD提供了有關(guān)隨機過程統(tǒng)計學(xué)的信息，使用PSD 的譜距可以獲得其他統(tǒng)計學(xué)特性。第階譜距定義為

其中，是振動頻率，()是功率譜密度函數(shù)。

根據(jù)Miner 線性累積損傷理論，結(jié)構(gòu)的疲勞損傷為

其中，n為應(yīng)力水平S的循環(huán)次數(shù)，N為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，當(dāng)累積損傷達到1時發(fā)生失效。

對于連續(xù)狀態(tài)，時間內(nèi)在應(yīng)力范圍（S，S+ΔS）下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為

材料的應(yīng)力壽命關(guān)系通過SN曲線來表示：

其中，和為材料參數(shù)。

聯(lián)合式（2）－（4）可以得到損傷公式

按照主機廠規(guī)范要求搭建振動試驗臺，原理圖如圖8所示，安裝完成的實物試驗環(huán)境如圖9所示。

圖8 振動試驗臺原理圖

圖9 燃油箱試驗環(huán)境

試驗過程為

（1）往油箱中裝滿100%液位額定容積的水；

（2）油箱和鋼帶等部件模擬裝車條件固定在臺架上，在臺架上安裝加速度傳感器；

（3）把裝好的臺架及油箱安裝在振動臺上；

（4）振動方向為方向，PSD曲線如圖10所示，數(shù)值大小如表3所示。

圖10 PSD曲線

表3 PSD數(shù)值大小

試驗過程中檢查有無部件脫落、分離、開裂等失效等情況，并記錄失效時間。試驗結(jié)果顯示，當(dāng)方向振動10小時左右，油箱右上角鋼帶的下焊點附近斷裂，試驗后的圖片如圖11所示。結(jié)合0 Hz～100 Hz頻率下掃頻結(jié)果，試驗和仿真加速度峰值都出現(xiàn)30 Hz附近，從仿真結(jié)果看出，油箱振型表現(xiàn)為右上角振動，導(dǎo)致鋼帶彎曲振型，與隨機振動試驗失效位置一致。

圖11 燃油箱鋼帶試驗失效圖

圖12 燃油箱鋼帶仿真應(yīng)力云圖

圖13 優(yōu)化前后鋼帶結(jié)構(gòu)對比

根據(jù)圖鋼帶振型圖來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從振型圖上可以看出，振動較大位置出現(xiàn)在鋼帶墊片末端，由于該位置無加強結(jié)構(gòu)，相對于鋼帶本體加墊片位置和鋼帶邊緣翻邊位置強度最弱，在進行隨機振動試驗時，鋼帶一端表現(xiàn)為彎曲振型，長時間承載下，鋼帶本體和墊片焊接處，發(fā)生焊點疲勞 斷裂，需加強薄弱位置強度，本文建議提高鋼帶邊緣翻邊高度至焊點處，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖13所示，優(yōu)化后的鋼帶再次進行隨機振動模擬，模擬結(jié)果如圖14所示，鋼帶本體Rmises應(yīng)力為86.6 MPa，焊點位置Rmises應(yīng)力為221 MPa，接受標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為224 MPa，鋼帶本體應(yīng)力和焊點應(yīng)力均小于接受標(biāo)準(zhǔn)，仿真結(jié)果合格。隨后再次用優(yōu)化后的鋼帶方案制樣，進行隨機振動試驗，結(jié)果顯示向振動50小時后，鋼帶無斷裂，滿足試驗要求。

圖14 優(yōu)化后鋼帶和焊點應(yīng)力云圖

3 總結(jié)

本文為解決某主機廠項目燃油箱鋼帶振動失效問題，以有限元分析軟件為工具，研究了鋼帶的隨機振動失效行為，分別進行掃頻和隨機振動對標(biāo)，其中掃頻對標(biāo)，主要對標(biāo)試驗與仿真加速度頻響峰值，用來確定仿真阻尼參數(shù)大小，對于隨機振動對標(biāo)，基于確定的阻尼參數(shù)大小，進行燃油箱隨機振動仿真，獲得綁帶Rmises應(yīng)力，根據(jù)2判定準(zhǔn)則初步評判失效風(fēng)險，并根據(jù)頻響峰值處鋼帶振型圖優(yōu)化綁帶結(jié)構(gòu)，最后再進行燃油箱隨機振動驗證，結(jié)果表明優(yōu)化后的綁帶均滿足仿真和試驗要求。