基于Abaqus的燃油箱随机振动疲劳分析

王 帅，陈学宏，李志敏

（亚普汽车部件股份有限公司，江苏 扬州 225009）

汽车在行驶过程中不仅受到自身发动机、电机等部件引起的振动，还会受到由路面不平顺产生的激振，使汽车零部件在振动累积作用下产生疲劳损伤。一般在汽车零部件开发流程中包含对试制样品进行随机振动、机械冲击等物理试验，来校核其结构的疲劳耐久性能，确保结构的安全性，再针对不足之处进行优化改进，这样不仅开发周期长，成本高昂，试验过程中还存在较大安全隐患，为缩减产品研发周期，降低开发成本，提高产品质量，需在产品前期设计阶段运用有限元分析方法进行相关工况的仿真分析，预测产品性能，并结合相关评价体系对产品进行结构优化改进。

根据振动传递特性曲线可知，当激励频率很低时，阻尼力与惯性力都很小，激励力基本与弹性力平衡，该频率区域成为刚度控制区，当激励频率很高时，惯性力较大，激励力主要用于克服惯性力，这频率区域称为质量控制区，当激励频率与系统固有频率接近时，惯性力与弹性力平衡，激励力用来克服阻尼力，这个频率区域为阻尼控制区。由此可知，接近固有频率时，阻尼大小是影响振动响应的重要参数，直接影响仿真结果的精确程度。

燃油箱作为底盘重要储能部件，通过绑带固定在汽车底盘上，绑带主要承受燃油箱重力和来自路面的随机振动载荷，由开发经验可知，绑带常见的失效模式为振动疲劳断裂。为研究燃油箱绑带在随机振动条件下振动失效行为，优化产品结构，本文首先基于扫频法，对标试验与仿真加速度频响峰值，确定仿真阻尼参数大小，随后基于该阻尼参数大小，进行燃油箱随机振动仿真，获得绑带Rmises应力，初步评判绑带失效风险，并根据频响峰值处振型优化绑带结构，最后试制样件，进行燃油箱随机振动测试，验证仿真精度，结果表明优化后的绑带结构强度较高，未发生疲劳断裂，可通过随机振动试验。本文研究为缩减产品的开发周期，减少试验次数，降低开发成本，提高产品质量具有重要意义。

1 燃油箱扫频试验与仿真

将燃油箱通过绑带安装在振动台架上模拟装车状态，如图1所示，扫频范围0 Hz～150 Hz，扫频方向为方向，振动输入加速度为6.7 m/s，扫频模式为对数扫频，扫频速率为1 otc/min，加速度响应点位于两根钢带中心位置上，两根钢带的峰值频率均为28 Hz，钢带1的加速度峰值小于钢带2加速度峰值，钢带1的共振加速度为42 m/s，钢带2的共振加速度为60 m/s。

图1 燃油箱扫频试验

建立油箱和台架仿真模型，划分5 mm的壳体网格，上下钢管材料为Q235，支撑块材料为铝，提取油箱模型，部件主要包括油箱本体、减震垫、钢带和防浪板等，其中油箱由吹塑成型，材料为多层高密度聚乙烯（High Density Polyethylene, HDPE），平均厚度是5.5 mm，钢带和垫片材料都是H420，厚度分别是2.0 mm，减震垫材料是三元乙丙橡胶（Ethylene-Propylene-Diene Monomer, EPDM），厚度是10 mm。钢带材料和减震垫用于紧固燃油箱部件，减震垫与台架直接接触，钢带和夹边通过螺栓与台架安装，燃油箱与台架完整模型如图2所示，单独燃油箱模型如图3所示。钢带一边有两个焊点，均采用ACM建模，焊点设置为普通钢属性，材料属性如表1所示。

图2 燃油箱与台架仿真模型

图3 燃油箱模型

表1 材料属性

运用Lanczos方法提取前100 Hz频率，阻尼大小分别设置为0.005、0.01、0.015、0.02，随后基于模态叠加法计算出扫频结果，响应点位置为两根钢带中心点，如图4所示，不同阻尼下加速度响应曲线如图5所示，从图中可以看出，前100 Hz频响曲线共振峰值在30 Hz附近，钢带共振峰值为30.2 Hz，与试验28 Hz仅相差2 Hz左右，误差较小。钢带1的加速度峰值小于钢带2加速度峰值，与试验现象一致，汇总两根钢带在不同阻尼 下加速度响应峰值大小如表2所示，曲线如图6所示，可以看出随阻尼增加，加速度频响峰值逐渐减小，并趋于平缓，表明阻尼对加速度峰值影响逐渐减小。由试验可知，钢带1的共振加速度为42 m/s，钢带2的共振加速度为60 m/s，对比仿真结果发现，当阻尼大小为0.015时，钢带1的共振加速度为41 m/s，钢带2的共振加速度为62 m/s，与试验结果接近，对于钢带1，仿真结果比试验结果小于1 m/s，对于钢带2，仿真结果比试验结果大2 m/s，因此，后续随机振动仿真采用的阻尼大小为0.015。

图4 燃油箱扫频两根钢带响应点位置

图5 不同阻尼大小钢带频响曲线

表2 响应点加速度频响峰值

图6 不同阻尼大小钢带响应峰值大小

提取共振频率30.2 Hz下油箱振型，如图7所示，可以看出，振型表现为油箱一端上翘，该位置没有减震垫约束，刚度较弱，从而引起钢带的弯曲振型。

图7 共振频率30.2 Hz下油箱振型

2 随机振动试验与仿真

功率谱密度函数（Power Spectral Density, PSD）是稳态随机过程的频域描述，PSD提供了有关随机过程统计学的信息，使用PSD 的谱距可以获得其他统计学特性。第阶谱距定义为

其中，是振动频率，()是功率谱密度函数。

根据Miner 线性累积损伤理论，结构的疲劳损伤为

其中，n为应力水平S的循环次数，N为结构的疲劳寿命，当累积损伤达到1时发生失效。

对于连续状态，时间内在应力范围（S，S+ΔS）下的应力循环次数为

材料的应力寿命关系通过SN曲线来表示：

其中，和为材料参数。

联合式（2）－（4）可以得到损伤公式

按照主机厂规范要求搭建振动试验台，原理图如图8所示，安装完成的实物试验环境如图9所示。

图8 振动试验台原理图

图9 燃油箱试验环境

试验过程为

（1）往油箱中装满100%液位额定容积的水；

（2）油箱和钢带等部件模拟装车条件固定在台架上，在台架上安装加速度传感器；

（3）把装好的台架及油箱安装在振动台上；

（4）振动方向为方向，PSD曲线如图10所示，数值大小如表3所示。

图10 PSD曲线

表3 PSD数值大小

试验过程中检查有无部件脱落、分离、开裂等失效等情况，并记录失效时间。试验结果显示，当方向振动10小时左右，油箱右上角钢带的下焊点附近断裂，试验后的图片如图11所示。结合0 Hz～100 Hz频率下扫频结果，试验和仿真加速度峰值都出现30 Hz附近，从仿真结果看出，油箱振型表现为右上角振动，导致钢带弯曲振型，与随机振动试验失效位置一致。

图11 燃油箱钢带试验失效图

图12 燃油箱钢带仿真应力云图

图13 优化前后钢带结构对比

根据图钢带振型图来优化结构，从振型图上可以看出，振动较大位置出现在钢带垫片末端，由于该位置无加强结构，相对于钢带本体加垫片位置和钢带边缘翻边位置强度最弱，在进行随机振动试验时，钢带一端表现为弯曲振型，长时间承载下，钢带本体和垫片焊接处，发生焊点疲劳 断裂，需加强薄弱位置强度，本文建议提高钢带边缘翻边高度至焊点处，优化前后结构如图13所示，优化后的钢带再次进行随机振动模拟，模拟结果如图14所示，钢带本体Rmises应力为86.6 MPa，焊点位置Rmises应力为221 MPa，接受标准应为224 MPa，钢带本体应力和焊点应力均小于接受标准，仿真结果合格。随后再次用优化后的钢带方案制样，进行随机振动试验，结果显示向振动50小时后，钢带无断裂，满足试验要求。

图14 优化后钢带和焊点应力云图

3 总结

本文为解决某主机厂项目燃油箱钢带振动失效问题，以有限元分析软件为工具，研究了钢带的随机振动失效行为，分别进行扫频和随机振动对标，其中扫频对标，主要对标试验与仿真加速度频响峰值，用来确定仿真阻尼参数大小，对于随机振动对标，基于确定的阻尼参数大小，进行燃油箱随机振动仿真，获得绑带Rmises应力，根据2判定准则初步评判失效风险，并根据频响峰值处钢带振型图优化绑带结构，最后再进行燃油箱随机振动验证，结果表明优化后的绑带均满足仿真和试验要求。