逄明華,樊克艷,聶永芳

（1河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003;2延津縣電業(yè)局,河南延津 453200）

基于ANSYS的卡車燃油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

逄明華1,樊克艷2,聶永芳1

（1河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003;2延津縣電業(yè)局,河南延津 453200）

卡車燃油箱是燃油供給系統(tǒng)的核心部件,其設(shè)計(jì)研發(fā)主要依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成,產(chǎn)品更新速度慢,成本高.結(jié)合現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法利用三維軟件UG設(shè)計(jì)出卡車油箱的三維結(jié)構(gòu)模型,然后利用有限元方法對(duì)卡車燃油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,求出卡車油箱的最大應(yīng)力值σmax為319.237MPa,最大應(yīng)變值εmax為13mm,為卡車油箱的設(shè)計(jì)修改提供理論參考依據(jù).大大降低了卡車油箱的設(shè)計(jì)成本,提高了產(chǎn)品研發(fā)效率.

卡車燃油箱；有限元方法；UG；結(jié)構(gòu)分析

卡車燃油箱是卡車燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其性能的好壞直接影響到卡車的安全,傳統(tǒng)的生產(chǎn)廠家主要采用試制—試驗(yàn)—修改—再試制—再試驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程,工程師憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出產(chǎn)品,然后通過(guò)樣件檢測(cè)性能、校核法規(guī).這樣,一個(gè)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn),往往需要多次試制樣件和漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)修改過(guò)程,造成人財(cái)物以及時(shí)間的大量消耗.隨著我國(guó)汽車時(shí)代的到來(lái)和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,新車型推出的速度越來(lái)越快,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應(yīng)要求[1].利用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù),對(duì)其設(shè)計(jì)的卡車油箱模型進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度,利用板料成形有限元分析技術(shù)預(yù)測(cè)產(chǎn)品的受壓情況,并對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制研究,對(duì)生產(chǎn)企業(yè)縮短開(kāi)發(fā)周期,提高開(kāi)發(fā)質(zhì)量,適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,ANSYS現(xiàn)已成為世界頂端的有限元分析軟件.它融結(jié)構(gòu)、傳熱學(xué)、流體、電磁、聲學(xué)、爆破分析于一體,具有功能極為強(qiáng)大的前后處理及計(jì)算分析能力,目前廣泛應(yīng)用于土木、水利水電、汽車、機(jī)械、采礦、核工業(yè)、船舶、日用家電等領(lǐng)域.ANSYS軟件作為一款通用有限元分析軟件,其強(qiáng)大的建模、網(wǎng)格劃分和分析功能極大地方便了用戶對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析[2].本文以ANSYS軟件為平臺(tái),對(duì)卡車燃油箱進(jìn)行精確建模、分析、求解,得到最大應(yīng)力及最大應(yīng)變的參考值,這樣不僅為卡車油箱的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證,還為油箱的設(shè)計(jì)修改提供參考依據(jù).

1 卡車油箱分析過(guò)程

1.1 卡車油箱有限元模型建立

對(duì)于實(shí)體建模,ANSYS提供了兩種基本方法,即“自頂向下的建模法”和“自底向上的建模法”.“自頂向下的建模法”就是在確定的坐標(biāo)系下直接定義實(shí)體體素結(jié)構(gòu),然后對(duì)這些實(shí)體要素求“交”、“并”、“差”等布爾運(yùn)算生成所需的幾何體.“自底向上的建模法”就是在確定的坐標(biāo)系下,依次定義點(diǎn)、線、面,最后由面生成體的一個(gè)完整的建模過(guò)程.在創(chuàng)建復(fù)雜模型時(shí)這兩種方法都比較困難,所以對(duì)于復(fù)雜的分析模型一般是先在其它三維建模軟件中完成（如UG、SOLIDWORKS、PRO-E等）然后生成IGS格式文件,導(dǎo)入到ANSYS軟件中來(lái)獲得[2].本文是利用現(xiàn)有的三維軟件UG創(chuàng)建出卡車油箱的幾何模型如圖1（a）所示,然后再導(dǎo)入到ANSYS軟件中創(chuàng)建出有限元分析模型,如圖1（b）示.

圖1 卡車油箱模型

直接導(dǎo)入的模型由于軟件之間的接口問(wèn)題,所得到的模型不能直接進(jìn)行分析,要對(duì)模型進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化,在此,對(duì)卡車油箱模型做了如下簡(jiǎn)化和假設(shè)[3]:

（1）忽略油箱內(nèi)部的管道和油箱上的孔,包括:油泵安裝孔、油泵安裝凸臺(tái)上的螺釘讓位凹坑；

（2）不考慮板間焊縫對(duì)有限元計(jì)算的影響,將整個(gè)油箱及焊接邊看作一個(gè)視為厚度均勻的封閉箱體整體；

（3）去掉油箱上的固定支座,將固定約束載荷直接施加在固定支座對(duì)應(yīng)位置的有限元節(jié)點(diǎn)上.

1.2 卡車油箱參數(shù)

該箱體和端蓋采用的材料為冷板Q401-2.0-08AI,08AI特性及適用范圍:是AI脫氧的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,厚度為0.8～3.0mm,深沖壓用的低碳冷軋薄鋼板與普通冷軋薄鋼板相比,具有更好的綜合力學(xué)性能和成形性能,廣泛用于各種車輛中形狀復(fù)雜的深沖壓零件（如:汽車、拖拉機(jī)車身、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等不承受載荷的各種沖壓零件).其力學(xué)性能為:屈服強(qiáng)度σs=400～420MPa,伸長(zhǎng)率δ為5%:材料硬度≥44HB,2.0代表了鋼板的厚度為2mm.其油箱的材料的具體參數(shù)為:材料Q401-2.0,屈服極限400Mpa,彈性模量2.1×105Mpa,泊松比0.29,材料密度785 0 kg/m3,殼體厚度2mm,單元型號(hào)shell63.

1.3 網(wǎng)格劃分

在有限元結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中,計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于計(jì)算單元種類的選取,同時(shí)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的建立也是十分關(guān)鍵.由于卡車油箱為薄壁結(jié)構(gòu),在此選擇殼單元.常用的殼單元主要有shell63和shell181兩種單元,shell63既具有彎曲能力和又具有膜力,可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載,單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng).應(yīng)力剛化和大變形能力已經(jīng)考慮在其中.在大變形分析（有限轉(zhuǎn)動(dòng))中可以采用不變的切向剛度矩陣.在單元的面內(nèi),其節(jié)點(diǎn)厚度為輸入的四個(gè)厚度值,如果單元厚度均勻,則只需輸入TK（I)即可；如果厚度是變化的,則四個(gè)節(jié)點(diǎn)的厚度均需輸入.綜合以上的各種條件,shell63單元符合本設(shè)計(jì)的需要,在此選擇shell63單元作為本分析的單元類型,見(jiàn)圖2.

圖2 shell63單元信息

單元選擇完成后,設(shè)定單元的尺寸為20mm.選擇所有面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分模型如圖3所示.

1.4 邊界條件的施加

有限元分析的邊界條件包括約束條件和受力條件,由于柴油箱是通過(guò)位于后板上的6個(gè)安裝孔安裝在裝載機(jī)后車架右側(cè)面,在工作過(guò)程中相對(duì)于車架的右側(cè)面來(lái)說(shuō)油箱是固定不動(dòng)的,因此,在施加約束條件時(shí),設(shè)定后板上的6個(gè)安裝孔設(shè)定為X、Y、Z三個(gè)方向上位移為零.受力條件的添加,由于卡車油箱在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求,在0.7MPa的工作壓力下,油箱的應(yīng)力必須滿足強(qiáng)度要求,不允許出現(xiàn)裂縫和強(qiáng)度不足等情況,所以油箱的最大工作壓力σmax不能超過(guò)σs,并且規(guī)定油箱的變形不允許超過(guò)1.5倍的油箱箱壁厚度,所以添加受力模型時(shí)為所有外表面都承受向外的壓強(qiáng)0.7MPa[4-6].

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度求解

圖3 卡車油箱網(wǎng)格模型

2.1 強(qiáng)度與剛度求解

邊界條件施加完成后,進(jìn)行求解,輸出求解的應(yīng)力與應(yīng)變圖.通過(guò)結(jié)果圖4（b）可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在油口處和油箱側(cè)面的中間部分,Miss應(yīng)力的最大值σmax為319.237MPa,對(duì)于油箱的允許應(yīng)力σs為400MPa,以不超過(guò)所選用鋼材的屈服強(qiáng)度為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),σmax為319.237MPa小于屈服應(yīng)力σs為400MPa,所以在強(qiáng)度方面油箱滿足要求.

圖4 卡車油箱分析結(jié)果

對(duì)于變形條件,在標(biāo)準(zhǔn)中要求油箱箱壁加強(qiáng)鐵及箱蓋的允許變形值不超過(guò)2.5倍壁厚,箱蓋不超過(guò)1.5倍箱蓋厚度即可認(rèn)為是安全的.油箱的厚度為2mm鋼板焊接而成的,因此,油箱的最大允許變形為5mm,現(xiàn)有設(shè)計(jì)變形最大值已達(dá)到了13mm,所以油箱的結(jié)構(gòu)剛度不滿足要求.

2.2 改進(jìn)措施

通過(guò)分析結(jié)果可以看出油箱的變形主要發(fā)生在箱體的中間部分,由于這部分離兩端蓋比較遠(yuǎn)剛度比較低,所以應(yīng)該采用加強(qiáng)措施來(lái)提高此部分的剛度,改進(jìn)方案1:在中間部位加一圈加強(qiáng)板；改進(jìn)方案2:在距油箱兩端各1/3處加兩圈圓周型擋板.通過(guò)重新劃分網(wǎng)格添加邊界條件進(jìn)行分析,這兩種方法強(qiáng)度都能滿足要求,剛度方面其應(yīng)變從13mm降低為3mm和4mm,都小于5mm,所以,剛度都能滿足要求.在此選擇方法2作為改進(jìn)方案,這種方案在降低油在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊,提高油箱的安全性方面都優(yōu)于方案1.對(duì)于油口處的最大應(yīng)力雖然小于屈服極限,為了提高油箱的安全系數(shù)將加油口的過(guò)度圓角現(xiàn)改為15mm的過(guò)度半徑.通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn),這款油箱在實(shí)際使用中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何強(qiáng)度問(wèn)題.

圖5 卡車油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)燃油箱的精確建模,結(jié)合有限元方法對(duì)油箱在特定壓強(qiáng)下進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論:①油箱的變形主要是各個(gè)側(cè)面中間的部分變形最大,這與實(shí)際情況吻合,根據(jù)分析結(jié)果修改最初設(shè)計(jì)模型,從而保證模型的變形量在要求的范圍內(nèi)；②通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出燃油箱的油口處屬于應(yīng)力集中,最容易發(fā)生破壞,在實(shí)際中要注意增大過(guò)度圓角來(lái)降低這部分的應(yīng)力集中,其次是油箱體的中間部分也容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力,在設(shè)計(jì)中要注意采取措施進(jìn)行改進(jìn)；③借助于計(jì)算機(jī)輔助的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)不但可以大大減少研究費(fèi)用,還可以得到比較精確的設(shè)計(jì)結(jié)果,也為燃油箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等后續(xù)設(shè)計(jì)分析提供比較可靠的理論依據(jù),進(jìn)而優(yōu)化油箱結(jié)構(gòu)、外形或者優(yōu)化燃油箱材料和工藝,最終實(shí)現(xiàn)燃油箱結(jié)構(gòu)、材料和工藝的完美結(jié)合.

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Fuel truck structured strength analysis based on ANSYS

Pang Minghua1,Fan Keyan2,Nie Yongfang1
（1.Henan Institute ofScienceand Technology,Xinxiang Henan 453003,China；2.Yanjin Electric Power Company,Yanjin Henan 453200China）

Fuel truck is the core component of the truck fuel supplying system,the research and design reliesmainly on the experience of the engineer to complete,productupdates speed is slow,high cost.In this paper,the tank truck 3-D structure model was designed combining with modern design method by software UG,the maximum stress was 319.237 MPa and the maximum strain was 13 mm of the truck,fuel structure were obtained by using the finite elementmethod,which provides theoretical references.So,not only greatly reduces the truck fuel tank design cost also improve product.

fuel truck,finite elementmethod,UG,structural analysis

TH114

A

1008-7516（2011）05-0071-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2011.05.017

2011-07-06

逄明華（1977-),男,碩士,講師.主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械原理教學(xué)與科研工作.

盧奇）