祁濤，楊柳，熊杰，鄧娜，朱植永，朱天楷

（東風亞普汽車部件有限公司 技術中心,湖北 武漢 430056）

基于仿真分析的燃油箱結構設計

祁濤，楊柳，熊杰，鄧娜，朱植永，朱天楷

（東風亞普汽車部件有限公司 技術中心,湖北 武漢 430056）

為了減小油箱在受壓狀態(tài)下的變形量分布，針對同一油箱設計了3種油箱底面結構，并通過仿真得到了油箱的變形位移分布云圖，然后根據模擬結果分析了3種不同結構的變形趨勢以及可能原因，最后分析了3種因素對油箱壁面位移的影響。結果表明：加鋼帶的方案為最優(yōu)設計；油箱設計應盡量減少大平面結構；油液蒸氣壓對油箱壁面位移的影響最大。

油箱；結構設計；仿真分析

Abstract:In order to reduce fuel tank deformation distribution under pressure,three plans of bottom structure on the same fuel tank were designed.And then,the fuel tank deformation distribution was ob?tained by simulation.Based on the result,the deformation trend and reasons were analyzed.At last,the influences of three factors on the tank wall displacement were analyzed.The result shows that structure with steel strap is the optimal design.Structure with large plane should be reduced in the design of the fuel tank.The influence of oil vapor pressure on the displacement of the tank wall is the largest.

Key words:fuel tank;structure design;simulation analysis

汽車燃油箱是汽車上重要功能零件之一，為發(fā)動機提供燃燒所需的燃料。目前汽車燃油箱主要有金屬油箱和塑料油箱。與金屬油箱相比，塑料油箱具有重量輕、耐腐蝕、造型隨意、壽命長和安全性能高等優(yōu)勢［1-2］。同時塑料油箱也存在機械強度弱于金屬油箱的劣勢。因此在研發(fā)一款塑料油箱時，必須考慮油箱內壓對塑料油箱產生的形變。

傳統(tǒng)的油箱設計方法是先初步設計，制作樣件進行試驗，修改設計后再進行樣件制作和試驗［3］，直至設計滿足要求。由于不同油箱變形區(qū)域并不相同，采用經驗設計存在一定盲目性，并且修改設計后需要對模具進行修模，時間周期較長。隨著CAE技術的不斷進步，汽車行業(yè)越來越多采用CAE技術進行前期驗證工作。通過仿真分析，一方面可以直接通過產品設計模型找到產品設計的缺陷，進行有針對性的修改；另一方面，由于提前優(yōu)化初期設計，減少了樣件制作和產品試驗，縮短了產品的設計周期，降低了產品設計研發(fā)的成本。

通過對某油箱進行仿真分析，研究了不同結構下油箱受內壓后變形量的分布情況。根據仿真結果選擇最佳油箱結構設計方案，同時仿真結果也為實驗檢測油箱的最大變形量提供了理論依據。

1 產品結構分析

油箱上一般安裝有燃油泵、閥、加油口和通氣管等［4］，通常將泵口、管路凹槽和閥的凸臺等結構設計在上表面，如果沒有鋼帶或者加強筋結構，則下表面基本上是平面結構，因此在油箱內為正壓的情況下，一般上表面的變形會小于下表面；而在負壓的情況下，由于存在油的重量和油泵給下表面的壓力，上下表面變形情況則較難判斷。文中采用仿真分析手段來預測油箱可能產生的變形，設計了3種油箱下表面方案，如圖1所示。平面結構即油箱下表面不做任何設置；加筋結構即油箱的下表面增加3個加強筋；加鋼帶結構即在油箱下表面中間部分增加1個鋼帶，鋼帶與油箱采用螺栓連接，固定位置在油箱筋板上。

圖1 油箱底面設計方案

2 有限元模型建立

模擬所用的材料分別是油箱材料HDPE和鋼帶材料DC01，其屬性見表1［5］。模擬過程考慮重力影響，仿照油箱正負壓實驗將油箱筋板固定，設置油泵對油箱產生的彈簧力，油箱內部的油壓和油蒸汽產生的氣壓，分別模擬相對壓力為10 kPa和真空度為2 kPa時油箱變形量分布情況；忽略油泵安裝孔和加油口等對仿真影響不大的結構，不考慮因油液分子擴散引起的油箱老化現象。

油箱和鋼帶的有限元網格均在Hypermesh前處理軟件中完成，均采用四面體網格，有限元模型建立后將模型導出到Abaqus軟件中進行求解分析，最終得出分析結果。

表1 材料參數

3 模擬結果與分析

1）相對壓力為10 kPa時油箱壁面位移分布

從圖2模擬結果可以看出：油箱上表面中，最大變形區(qū)域在圖片上端的油箱管槽區(qū)域，而在圖片下端的泵口區(qū)域變形相對較??；油箱下表面中，最大變形區(qū)域在圖片下端，而在圖片上端部分，油箱與隔熱板配合的區(qū)域變形較小。3種方案下，油箱的最大變形區(qū)域均在下表面，且都在圖片下端，原因是下表面比上表面更加平坦，且存在油壓，因此受力后易于變形；由于油箱上表面結構相同的，上表面的變形分布趨勢是一致。由此可以發(fā)現：相同正壓狀態(tài)下，油箱下表面是平面結構時，產生的變形量最大，油箱下表面加鋼帶時產生的變形量最小；采用加強筋時，油箱下表面的最大變形量比平面結構時小，但是兩者的變形趨勢是一致的。因此加筋和加鋼帶對改善油箱下表面變形量都有作用，而加鋼帶的作用比加筋的作用要大。

圖2 相對壓力為10 kPa時油箱壁面位移分布云圖

2）真空度為2 kPa時油箱壁面位移分布

從圖3中可以發(fā)現：相同負壓狀態(tài)下，油箱的最大變形量在油箱的上表面，3種方案最大變形量基本相同是因為上表面結構是一致的；在下表面中，變形最小的是采用加筋結構的方案，其次是采用鋼帶的結構，最差的是平面結構。

圖3 真空度為2 kPa時油箱壁面位移分布云圖

油箱上下表面最大位移對比如表2所示，比較3個方案在不同壓力下的最大變形量，可以發(fā)現加鋼帶結構是最佳方案。

表2 油箱上下表面最大位移 mm

3）各因素對油箱上下壁面位移分布的影響

在油箱進行正負壓試驗時，對油箱評價的標準是其上下表面的位移是否在設計允許的范圍內，影響油箱上下表面位移的因素有油泵的彈簧力，油液的油壓和油蒸汽的氣壓。在進行油箱正負壓模擬時均考慮了這3種因素。根據表2的分析結果可知：在相對壓力存在的情況下，平面結構的下表面是位移最大的，而加鋼帶結構的的油箱下表面位移是最小的，因此在進行3種影響因素分析時，采用平面結構分別單獨模擬3種因素的影響時，可以得到其對油箱表面影響的最大值，同理，采用加鋼帶結構則可以得到其對油箱影響的最小值。

當油泵安裝在油箱上后，油泵中的彈簧處于壓縮狀態(tài)，模擬時油泵底面與油箱下表面接觸，油泵上表面連接彈簧的一端，彈簧另一端與油箱相連，模擬結果如圖4所示，在不考慮油壓和燃油蒸氣壓的情況下，通過平面結構可知，油泵彈簧力對油箱上下壁面的影響的最大值為0.575mm。

圖4 平面結構油泵彈簧力的影響

油箱中的油壓取決于油液高度與油箱底面之間的距離，越接近油箱底面，油壓越大，計算公式為

式中：ρ為油液的密度；z1為油液最大高度的位置；z2為所求油壓處的位置。根據式（1）可得到油液的壓力分布，模擬結果見圖5，在不考慮彈簧力和燃油蒸氣壓的情況下，通過平面結構可知，油壓對油箱上下壁面都有影響，最大值為0.564mm。

圖5 平面結構油壓的影響

模擬時油箱的相對壓力值是試驗測試時的極限壓力值，模擬結果如圖6所示，在不考慮彈簧力和油壓的情況下，通過加鋼帶結構可知，相對壓力值對油箱上下壁面的影響的最小值為2.7mm。

圖6 加鋼帶結構相對壓力的影響

通過上述對比可以發(fā)現：對油箱壁面位移影響最大的是油液蒸氣壓，油壓和彈簧力對油箱壁面的影響都比較小。

4 結論

通過對油箱的結構設計進行仿真分析，根據仿真結果可以得出：1）油箱下表面加筋和加鋼帶可以有效減小其在受正壓時的變形量；2）3種油箱結構中，加鋼帶方案的最大變形量是最小的；3）油箱應在保證容積的情況下，盡量減少大平面結構；4）油液蒸氣壓對油箱壁面位移的影響最大，油壓和彈簧力對其影響較小。

［1］劉亮.汽車塑料燃油箱發(fā)展趨勢［J］.汽車與配件，2006（27）：34-36.

［2］蘭小蓉.塑料在汽車油箱中的應用現狀與發(fā)展趨勢［J］.科協論壇，2007（7）：23-24.

［3］王勇.汽車燃油箱結構設計及成形質量控制研究［D］.重慶：重慶大學，2004.

［4］柳廣鳳，徐愛平.轎車燃油箱設計［J］.機械工業(yè)標準化與質量，2012（8）：23-27.

［5］屠翔宇，嚴莉，朱志勇，等.汽車燃油箱模態(tài)仿真分析及試驗驗證［J］.噪聲與振動控制，2016，36（4）：88-91.

Design of Fuel Tank Structure Based on Simulation Analysis

Qi Tao,Yang Liu,Xiong Jie,Deng Na,Zhu Zhiyong,Zhu Tiankai
（Technical Center,Dongfeng YAPP Automobile Parts Co.Ltd.,Wuhan 430056,China）

U464.136+.5

A

1008-5483（2017）03-0022-03

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.03.006

2017-03-31

祁濤（1986-），男，湖北武漢人，碩士，從事汽車燃油系統(tǒng)方面的研究。E-mail：qitao212@qq.com