李 駿，龔思惠，程賢福，張鵬飛，梁高峰

（華東交通大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

燃油箱作為車輛燃油供給系統(tǒng)中的不可或缺的重要零部件，其安全性能直接影響了車輛的安全[1]。貨車在行駛過程中的加速、減速以及路況的顛簸都將造成燃油箱內(nèi)液體晃動，而液體晃動會對燃油箱產(chǎn)生沖擊作用，尤其在非滿載情況下，液體晃動程度更明顯[2]。而燃油的沖擊力影響力燃油箱的結(jié)構(gòu)強度，若由于燃油箱沖擊力過大，造成燃油箱破壞，則會發(fā)生泄漏現(xiàn)象，不僅會對環(huán)境造成污染，甚至對人們的生命財產(chǎn)安全造成巨大威脅。然而傳統(tǒng)的燃油箱設(shè)計主要依賴于工人的經(jīng)驗，設(shè)計周期長，成本高，且缺乏強度分析等數(shù)據(jù)支撐，無法保證其設(shè)計是否合理[3]。因此為提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，在產(chǎn)品開發(fā)初期對燃油箱進行強度分析很有必要。

國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對燃油箱進行探索研究，其中程賢福[1]等人不同充液比下的燃油箱進行了流固耦合模態(tài)分析，驗證了燃油的存在會影響燃油箱的固有頻率。祁濤[4]等人通過加壓的方式對燃油箱進行仿真分析得到最合理的燃油箱結(jié)構(gòu)。楊昭[5]等人對燃油箱進行了干模態(tài)分析、流固耦合模態(tài)分析以及半載的燃油箱的振動耐久性仿真分析，流固耦合下的頻率與干模態(tài)明顯不同，垂直方向?qū)θ加拖涞钠谟绊懽畲蟆Ｒ陨衔墨I都的結(jié)論都能說明燃油的存在對燃油箱的性能存在很大的影響，但卻未分析燃油是如何以及為什么影響燃油箱的性能，為對該問題進行研究探討，本文對燃油進行液體晃動模擬，模擬仿真實際情況下燃油箱內(nèi)燃油晃動情況，通過提取各時段的數(shù)據(jù)結(jié)果對燃油箱進行綜合分析。

本文以某款燃油箱為例，首先利用設(shè)計圖紙的尺寸信息在Pro/E軟件上進行三維建模。然后在有限元軟件Workbench平臺上建立有限元模型，并對燃油箱進行模態(tài)分析、靜態(tài)強度分析、流體晃動仿真分析以及流固耦合分析。

1 燃油箱有限元模型的建立

燃油箱主體結(jié)構(gòu)為長方體，長寬高為985mm×346mm×274mm，燃油箱上裝有游標傳感器、吸油管和回油管、注油口、通氣管、端蓋、放油螺栓等。貨車燃油箱的端蓋呈現(xiàn)十字星形狀，隔板呈現(xiàn)X型形狀，四個圓孔直徑為45mm。燃油箱主體結(jié)構(gòu)是由薄鋼板沖壓而成，其厚度為1mm。為使三維模型能與有限元軟件進行連接，需將模型另存為STEP或者IGES格式，再將中間格式的三維模型導(dǎo)入有限元模型中。

為了提高計算速度以及保證計算精度，在能反應(yīng)燃油箱的實際受力情況下，應(yīng)該盡量地簡化模型，為此對貨車燃油箱做出了一些簡化處理[6]：

1）因燃油箱上面的貯油通氣管道、注油口以及油泵安裝孔對分析結(jié)果的影響較小，所以對此進行忽略；

2）貨車燃油箱是沖壓形成的，因制造原因可能會有厚度不一的情況發(fā)生，對此在進行分析時，將其視為厚度均勻的箱體且厚度為1mm；

3）不考慮焊接過程中可能出現(xiàn)焊縫的情況，將箱體看做一個封閉的整體。

按照以上簡化原則對模型進行簡化處理后，將模型導(dǎo)入有限元軟件中，導(dǎo)入后的模型，由于接口的問題，模型可能會出現(xiàn)一些小邊、小縫隙等，這些小邊或者小縫隙會影響網(wǎng)格質(zhì)量，甚至造成計算結(jié)果有誤，不可以直接進行分析，要對其進行一些細小部分的修補。本文利用虛擬拓補的方法對端蓋以及隔板的一些邊進行處理，簡化后的有限元模型如圖1所示。由于分析涉及流體，因此還需對其進行流體域建模，利用軟件中的FILL填充功能建立流體域模型。

圖1 燃油箱簡化后有限元模型

由于簡化后的燃油箱所有部件均為薄板沖壓而成，為減少網(wǎng)格數(shù)量。提高網(wǎng)格質(zhì)量以及計算速率，對燃油箱進行抽殼處理，進行殼網(wǎng)格劃分。流體域體積較大，為提高計算效率，采用混合網(wǎng)格方式對其進行網(wǎng)格劃分。

燃油箱所有部件均使用鋼材DC01，其材料屬性如表1所示。

表1 貨車燃油箱材料屬性

2 燃油箱模態(tài)分析

車輛在行駛的過程中受到路面激勵的影響，燃油箱會發(fā)生振動，如果燃油箱固有頻率與激勵頻率相近時，則會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，對燃油箱性能造成威脅。而模態(tài)分析是以振動理論為理論基礎(chǔ)的分析方法，是機械與結(jié)構(gòu)動力學(xué)中重要的分析方法[7]，為防止共振現(xiàn)象發(fā)生，本文對不同充液比下的燃油箱進行模態(tài)分析，得出各充液比下的九階頻率，也可為后續(xù)動力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。如表2所示為充液比分別為0、0.25、0.5、0.75的九階頻率。

表2 各充液比的各階頻率（單位：Hz）

為更好觀察各充液比下的各階固有頻率變化趨勢，將表2繪制出了如圖2所示的折線圖，從圖中可看出空油箱的各階頻率比含油時明顯偏高，在含油量為50%時其各階頻率下降的最為明顯，當充液比超過0.5時，其充液比的增加，各階頻率下降幅度不大?？沙浞终f明燃油在動力學(xué)分析中有著重要影響，不可忽視，并且在充液比為0.5時影響最為明顯。

圖2 燃油箱各充液比固有頻率折線圖

6 結(jié)語

本文通過對某款燃油箱進行模態(tài)分析、靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度分析、流體晃動仿真以及流固耦合分析，得出該款燃油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，符合要求，可以應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。

首先通過對該款燃油箱進行模態(tài)分析得出其固有頻率范圍值且從中發(fā)現(xiàn)燃油的存在對燃油箱的固有頻率具有較大的影響，不可忽視燃油的存在。再通過對制動工況下的半載燃油箱進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析可知其最大應(yīng)力值為131.11MPa，小于屈服強度，即燃油箱的初步設(shè)計合理，可以進行下一步校核。進而對靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度分析所確定的燃油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計對其進行流體晃動仿真，得到各時刻下燃油的晃動狀態(tài)，以及燃油箱所受壓強情況，發(fā)現(xiàn)其壓強隨時間不斷變化，在0.20s時刻最大。利用流體晃動仿真結(jié)果作為載荷輸入對燃油箱進行流固耦合分析，分析結(jié)果可以看出在制動后的一段時間內(nèi)其最大應(yīng)力值與其所受壓強值隨時間變化趨勢一致，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在0.20s時刻，值為164.35MPa，小于屈服強度，結(jié)構(gòu)設(shè)計符合要求。

通過一系列計算，利用模態(tài)分析與靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)初步確定燃油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在該設(shè)計下繼續(xù)對燃油箱進行實際工況校核，確保該設(shè)計的燃油箱符合要求，以此可以確定縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。