基于有限元的礦用燃油箱托架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

周文強(qiáng)

摘 要：汽車燃油箱托架是汽車燃油供給系統(tǒng)中的關(guān)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(fā)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(qiáng)度（超強(qiáng)承載能力、抗外界沖擊能力等）設(shè)計是否滿足要求。通過利用CATIA進(jìn)行針對性特殊設(shè)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(jìn)行求解及強(qiáng)度對比分析，結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)向、沖擊和制動的幾種邊界條件下，油箱托架應(yīng)力最大平均值均在材料最大許用應(yīng)力范圍內(nèi)，安全系數(shù)得到提升，符合設(shè)計要求，避免了應(yīng)力集中及早期失效現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：礦用寬體車 燃油箱托架 有限元分析 優(yōu)化

1 引言

礦用車寬體車一般在一定的范圍內(nèi)運行作業(yè)，由于其外形尺寸不受限制，為了進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]和GB1589-2016《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)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(shù)，為此配備大容積燃油箱。市場上傳統(tǒng)商用車燃油托架結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yè)工況環(huán)境極差，路面沖擊大，燃油箱容量大，燃油質(zhì)量大，燃油箱托架工作環(huán)境更加惡劣，因此，常規(guī)燃油箱托架結(jié)構(gòu)無法抵御以上上述環(huán)境所帶來的磕碰及沖擊，所以對燃油箱托架的強(qiáng)度提出更高要求，對此進(jìn)行更深一步的優(yōu)化探究。

2 設(shè)計方案

由于常規(guī)模具成型的燃油箱托架“π”型結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)礦山作業(yè)車輛的需求，且容易失效。本次燃油箱托架結(jié)構(gòu)將采用中厚高強(qiáng)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(guān)系的情況下，建立各相關(guān)零件完整的計算分析模型[3]（如圖2所示）。

3.1 設(shè)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(jìn)行整車典型工況進(jìn)行強(qiáng)度分析——沖擊、制動、轉(zhuǎn)向。由于只關(guān)注其結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度，故對油液運用耦合質(zhì)量點來代替。

（2）判定依據(jù)：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(yīng)力結(jié)果

3.2 網(wǎng)格劃分

（1）在有限元建模中，網(wǎng)格的分割是一個非常關(guān)鍵的部分，它需要涉及到的問題很多，任務(wù)量大且繁重，因此，網(wǎng)格的劃分將會對計算的準(zhǔn)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(wǎng)格數(shù)目、單元形狀、網(wǎng)格的稀疏程度等因素的制約。因此在模型導(dǎo)入前處理軟件之前需對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼恚瑢λ治龅牧慵凑找?guī)定正確命名，并針對不利于分析的的幾何模型進(jìn)行前期處理（如：陽角圓角等）。在劃分網(wǎng)格時，利用HyperMesh導(dǎo)入模型總成，為了減少網(wǎng)格劃分的前處理工作量并快速高效的生成完整的且高質(zhì)量的有限元模型，需要充分考慮其結(jié)構(gòu)的對稱性、模型的完整性、高質(zhì)量性。為了更進(jìn)一步提高本次分析的精度，本次模型采用六面體網(wǎng)格，按總體幾何尺寸及構(gòu)造特征，將其網(wǎng)格單元的尺寸限定為5mm（如圖3所示）。

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

3.3 模型材料參數(shù)

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(shù)見表上1。

3.4 邊界條件及載荷

在進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分后對模型進(jìn)行邊界條件的定義。為更貼近燃油箱托架實際工作狀態(tài)，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(xiàn)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(zhuǎn)向（Y向0.8g），以此為加載條件進(jìn)行模擬寬體礦用車在行駛作業(yè)時油箱托架各部位的受力實際情況。

4 仿真計算結(jié)果分析

4.1 燃油箱托架焊縫結(jié)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(yīng)的應(yīng)力云圖。

從結(jié)算結(jié)果來看，燃油箱托架焊縫處在三種不同的工況下進(jìn)行加載求解，結(jié)果表明三種不同工況下焊縫處的最大應(yīng)力為：沖擊：80.762MPa、轉(zhuǎn)向：17.236 Mpa、制動：85.630 MPa均滿足強(qiáng)度要求，沖擊安全系數(shù)：2.9符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 燃油箱托架結(jié)構(gòu)結(jié)果分析

如圖5所示，燃油箱托架結(jié)構(gòu)在三種不同工況下的加載后所對應(yīng)的應(yīng)力云圖。

從計算結(jié)果來看，燃油箱托架結(jié)構(gòu)處在三種不同的工況下進(jìn)行加載求解，結(jié)果表明三種不同工況下的最大應(yīng)力為：沖擊：>345MPa MPa、轉(zhuǎn)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(shù)：0.92，其余轉(zhuǎn)向、制動均滿足強(qiáng)度要求。

（1）由于在沖擊工況下，燃油箱托架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不滿足強(qiáng)度要求，因此現(xiàn)將燃油箱托架進(jìn)行不同材料規(guī)格的加載受力對比分析（如表2所示）。

（2）根據(jù)上述材料規(guī)格參數(shù)表，將燃油箱托架按照三種不同材料屬性匹配，再次進(jìn)行加載邊界約束，其最大應(yīng)力分析結(jié)果如下（如圖6所示）。

經(jīng)過三種不同材料規(guī)格在沖擊工況下加載分析情況來看，規(guī)格3材料結(jié)構(gòu)在該沖擊工況下的最大應(yīng)力完全滿足強(qiáng)度要求，結(jié)合折彎圓角處的受力情況，T=10mm處平均應(yīng)力為295.945MPa，安全系數(shù)提升至1.2，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)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(zhuǎn)彎、制動三種不同工況下進(jìn)行靜強(qiáng)度計算分析以及對比，在分析前處理時提前進(jìn)行規(guī)劃策劃，有效的減少了設(shè)計的重復(fù)性與盲目性，提高了設(shè)計工作的效率，通過更改材料規(guī)格將原有的燃油箱托架安全系數(shù)由0.92提升至1.2，且強(qiáng)度完全滿足設(shè)計要求與客戶使用需求，可以進(jìn)行下階段樣件試制工作。

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