基于有限元的矿用燃油箱托架结构优化设计

周文强

摘 要：汽车燃油箱托架是汽车燃油供给系统中的关键部件，油箱托架承受着燃油箱本体以及燃料的冲击，其常见的受力形式多为受到来自路面的冲击载荷，在其作用下易发生失效。本文主要针对某特种矿用宽体车大容积燃油箱的需求，提出与其所匹配的油箱托架的强度（超强承载能力、抗外界冲击能力等）设计是否满足要求。通过利用CATIA进行针对性特殊设计，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况下，分别赋予不同的材料属性并利用Optistruct进行求解及强度对比分析，结果表明：在转向、冲击和制动的几种边界条件下，油箱托架应力最大平均值均在材料最大许用应力范围内，安全系数得到提升，符合设计要求，避免了应力集中及早期失效现象。

关键词：矿用宽体车 燃油箱托架 有限元分析 优化

1 引言

矿用车宽体车一般在一定的范围内运行作业，由于其外形尺寸不受限制，为了进一步提高车辆运载量，宽度、高度尽可能的最大化，其宽度已超过JTGB01-2003《公路工程技术标准》[1]和GB1589-2016《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》[2]。宽体矿用车主要是露天矿山的主要运输车辆，车辆载重大，油耗高，为了提高车辆运载效率，减少日加油次数，为此配备大容积燃油箱。市场上传统商用车燃油托架结构大部分为“π”型且仅靠模具冲压成型的钣金件抵御来自燃油箱本体和燃油本身因涌动所产生的冲击以及在车辆运行过程中来自路面的冲击力。由于宽体矿用车作业工况环境极差，路面冲击大，燃油箱容量大，燃油质量大，燃油箱托架工作环境更加恶劣，因此，常规燃油箱托架结构无法抵御以上上述环境所带来的磕碰及冲击，所以对燃油箱托架的强度提出更高要求，对此进行更深一步的优化探究。

2 设计方案

由于常规模具成型的燃油箱托架“π”型结构无法适应矿山作业车辆的需求，且容易失效。本次燃油箱托架结构将采用中厚高强度钢板拼焊成型（如图1所示）。

3 有限元模型的建立

燃油箱总成主要由油箱托架、弹性单元、油箱本体、紧固带等零部件组成，主要起储存、承载、防震、抗冲击作用，在充分考虑到燃油箱、垫带、紧固带以及托架之间的作用关系的情况下，建立各相关零件完整的计算分析模型[3]（如图2所示）。

3.1 设计输入

（1）油箱总成及其附件在整车运行过程中，主要受自身和油液重力作用。故对其进行整车典型工况进行强度分析——冲击、制动、转向。由于只关注其结构件强度，故对油液运用耦合质量点来代替。

（2）判定依据：安全因子Sf>1，计算公式：Sf=σs÷σ （1）

公式中，σs为材料屈服值，σ为计算应力结果

3.2 网格划分

（1）在有限元建模中，网格的分割是一个非常关键的部分，它需要涉及到的问题很多，任务量大且繁重，因此，网格的划分将会对计算的准确性、计算的大小和难度造成很大的影响。建立合理合理的有限元计算模式，通常受到网格数目、单元形状、网格的稀疏程度等因素的制约。因此在模型导入前处理软件之前需对模型进行适当的整理，对所分析的零件按照规定正确命名，并针对不利于分析的的几何模型进行前期处理（如：阳角圆角等）。在划分网格时，利用HyperMesh导入模型总成，为了减少网格划分的前处理工作量并快速高效的生成完整的且高质量的有限元模型，需要充分考虑其结构的对称性、模型的完整性、高质量性。为了更进一步提高本次分析的精度，本次模型采用六面体网格，按总体几何尺寸及构造特征，将其网格单元的尺寸限定为5mm（如图3所示）。

（2）在进行了网格划分之后，检验其网格质量是否符合标准规定，其质量对以后的模型计算的效果有很大的影响。影响网格质量的因素有以下几点：雅克比、翘曲系数、长宽比、单元质量、倾斜度、正交质量等。所以，网格分割是将网格分割成许多个小的网格，前处理作为有限元分析过程中的基础与重点，网格的划分与网格的匹配程度、网格质量的优劣直接影响到后续的有限元数值模拟的质量。

3.3 模型材料参数

燃油箱托架除垫带为橡胶弹性单元外，其余材料均采用510L，具体模型材料参数见表上1。

3.4 边界条件及载荷

在进行前处理网格划分后对模型进行边界条件的定义。为更贴近燃油箱托架实际工作状态，对边界条件定义如下：油箱托架、燃油箱、紧固带、垫带的接触视为紧密接触，在其各部件接触处模拟接触力，以此来充分体现出燃油箱总成的实际受力状况。对油箱托架与车架安装孔施加固定约束，对下方分别施加冲击加载、制动加载以及冲击加载冲击（Z向-6g）、制动（X向-1g）、转向（Y向0.8g），以此为加载条件进行模拟宽体矿用车在行驶作业时油箱托架各部位的受力实际情况。

4 仿真计算结果分析

4.1 燃油箱托架焊缝结果分析

如图4所示，燃油箱托架焊缝处在三種不同工况下的加载后所对应的应力云图。

从结算结果来看，燃油箱托架焊缝处在三种不同的工况下进行加载求解，结果表明三种不同工况下焊缝处的最大应力为：冲击：80.762MPa、转向：17.236 Mpa、制动：85.630 MPa均满足强度要求，冲击安全系数：2.9符合设计标准。

4.2 燃油箱托架结构结果分析

如图5所示，燃油箱托架结构在三种不同工况下的加载后所对应的应力云图。

从计算结果来看，燃油箱托架结构处在三种不同的工况下进行加载求解，结果表明三种不同工况下的最大应力为：冲击：>345MPa MPa、转向：157.655 Mpa、制动：125.408 Mpa，除冲击工况下不满足要求外，冲击安全系数：0.92，其余转向、制动均满足强度要求。

（1）由于在冲击工况下，燃油箱托架结构最大应力不满足强度要求，因此现将燃油箱托架进行不同材料规格的加载受力对比分析（如表2所示）。

（2）根据上述材料规格参数表，将燃油箱托架按照三种不同材料属性匹配，再次进行加载边界约束，其最大应力分析结果如下（如图6所示）。

经过三种不同材料规格在冲击工况下加载分析情况来看，规格3材料结构在该冲击工况下的最大应力完全满足强度要求，结合折弯圆角处的受力情况，T=10mm处平均应力为295.945MPa，安全系数提升至1.2，符合设计标准。

5 结语

通过利用HyperMesh工具对某特种宽体矿用车燃油箱托架在冲击、转弯、制动三种不同工况下进行静强度计算分析以及对比，在分析前处理时提前进行规划策划，有效的减少了设计的重复性与盲目性，提高了设计工作的效率，通过更改材料规格将原有的燃油箱托架安全系数由0.92提升至1.2，且强度完全满足设计要求与客户使用需求，可以进行下阶段样件试制工作。

参考文献：

[1]中国工程建设标准公路委员会. 公路工程技术标准：JTGB01-2003 [S].北京朝阳区：人民交通出版社 ，2003.

[2]中国国家标准化管理委员会.机动车运行安全技术条件：GB7258-2017[S].北京西城区三里河：中国标准出版社，2017.

[3]吕若尘，任工昌.商用车油箱支架有限元分析及优化[J].制造业自动化，2014，07 84.

[4] 赵卫艳.商用车油箱支架疲劳寿命仿真分析[J].价值工程，2011，12.

[5]霍裕蓉.某特种汽车燃油箱支架结构优化设计[J].建筑机械，2021.02.

[6]王静，刘俊，赵莉.基于ABAQUS有限元模拟的油箱支架强度分析[J].汽车实用技术，2019.10.