祁濤，楊柳，熊杰，鄧娜，朱植永，朱天楷

（東風(fēng)亞普汽車(chē)部件有限公司 技術(shù)中心,湖北 武漢 430056）

基于仿真分析的燃油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

祁濤，楊柳，熊杰，鄧娜，朱植永，朱天楷

（東風(fēng)亞普汽車(chē)部件有限公司 技術(shù)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(duì)同一油箱設(shè)計(jì)了3種油箱底面結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真得到了油箱的變形位移分布云圖，然后根據(jù)模擬結(jié)果分析了3種不同結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)以及可能原因，最后分析了3種因素對(duì)油箱壁面位移的影響。結(jié)果表明：加鋼帶的方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)；油箱設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少大平面結(jié)構(gòu)；油液蒸氣壓對(duì)油箱壁面位移的影響最大。

油箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(chē)燃油箱是汽車(chē)上重要功能零件之一，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃燒所需的燃料。目前汽車(chē)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(zhǎng)和安全性能高等優(yōu)勢(shì)［1-2］。同時(shí)塑料油箱也存在機(jī)械強(qiáng)度弱于金屬油箱的劣勢(shì)。因此在研發(fā)一款塑料油箱時(shí)，必須考慮油箱內(nèi)壓對(duì)塑料油箱產(chǎn)生的形變。

傳統(tǒng)的油箱設(shè)計(jì)方法是先初步設(shè)計(jì)，制作樣件進(jìn)行試驗(yàn)，修改設(shè)計(jì)后再進(jìn)行樣件制作和試驗(yàn)［3］，直至設(shè)計(jì)滿足要求。由于不同油箱變形區(qū)域并不相同，采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一定盲目性，并且修改設(shè)計(jì)后需要對(duì)模具進(jìn)行修模，時(shí)間周期較長(zhǎng)。隨著CAE技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越多采用CAE技術(shù)進(jìn)行前期驗(yàn)證工作。通過(guò)仿真分析，一方面可以直接通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型找到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的缺陷，進(jìn)行有針對(duì)性的修改；另一方面，由于提前優(yōu)化初期設(shè)計(jì)，減少了樣件制作和產(chǎn)品試驗(yàn)，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的成本。

通過(guò)對(duì)某油箱進(jìn)行仿真分析，研究了不同結(jié)構(gòu)下油箱受內(nèi)壓后變形量的分布情況。根據(jù)仿真結(jié)果選擇最佳油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)仿真結(jié)果也為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)油箱的最大變形量提供了理論依據(jù)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(tái)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在上表面，如果沒(méi)有鋼帶或者加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，則下表面基本上是平面結(jié)構(gòu)，因此在油箱內(nèi)為正壓的情況下，一般上表面的變形會(huì)小于下表面；而在負(fù)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(lái)預(yù)測(cè)油箱可能產(chǎn)生的變形，設(shè)計(jì)了3種油箱下表面方案，如圖1所示。平面結(jié)構(gòu)即油箱下表面不做任何設(shè)置；加筋結(jié)構(gòu)即油箱的下表面增加3個(gè)加強(qiáng)筋；加鋼帶結(jié)構(gòu)即在油箱下表面中間部分增加1個(gè)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(shè)計(jì)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(jiàn)表1［5］。模擬過(guò)程考慮重力影響，仿照油箱正負(fù)壓實(shí)驗(yàn)將油箱筋板固定，設(shè)置油泵對(duì)油箱產(chǎn)生的彈簧力，油箱內(nèi)部的油壓和油蒸汽產(chǎn)生的氣壓，分別模擬相對(duì)壓力為10 kPa和真空度為2 kPa時(shí)油箱變形量分布情況；忽略油泵安裝孔和加油口等對(duì)仿真影響不大的結(jié)構(gòu)，不考慮因油液分子擴(kuò)散引起的油箱老化現(xiàn)象。

油箱和鋼帶的有限元網(wǎng)格均在Hypermesh前處理軟件中完成，均采用四面體網(wǎng)格，有限元模型建立后將模型導(dǎo)出到Abaqus軟件中進(jìn)行求解分析，最終得出分析結(jié)果。

表1 材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

1）相對(duì)壓力為10 kPa時(shí)油箱壁面位移分布

從圖2模擬結(jié)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(duì)較?。挥拖湎卤砻嬷?，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(jié)構(gòu)相同的，上表面的變形分布趨勢(shì)是一致。由此可以發(fā)現(xiàn)：相同正壓狀態(tài)下，油箱下表面是平面結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生的變形量最大，油箱下表面加鋼帶時(shí)產(chǎn)生的變形量最??；采用加強(qiáng)筋時(shí)，油箱下表面的最大變形量比平面結(jié)構(gòu)時(shí)小，但是兩者的變形趨勢(shì)是一致的。因此加筋和加鋼帶對(duì)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(duì)壓力為10 kPa時(shí)油箱壁面位移分布云圖

2）真空度為2 kPa時(shí)油箱壁面位移分布

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：相同負(fù)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?yàn)樯媳砻娼Y(jié)構(gòu)是一致的；在下表面中，變形最小的是采用加筋結(jié)構(gòu)的方案，其次是采用鋼帶的結(jié)構(gòu)，最差的是平面結(jié)構(gòu)。

圖3 真空度為2 kPa時(shí)油箱壁面位移分布云圖

油箱上下表面最大位移對(duì)比如表2所示，比較3個(gè)方案在不同壓力下的最大變形量，可以發(fā)現(xiàn)加鋼帶結(jié)構(gòu)是最佳方案。

表2 油箱上下表面最大位移 mm

3）各因素對(duì)油箱上下壁面位移分布的影響

在油箱進(jìn)行正負(fù)壓試驗(yàn)時(shí)，對(duì)油箱評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是其上下表面的位移是否在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，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(jìn)行油箱正負(fù)壓模擬時(shí)均考慮了這3種因素。根據(jù)表2的分析結(jié)果可知：在相對(duì)壓力存在的情況下，平面結(jié)構(gòu)的下表面是位移最大的，而加鋼帶結(jié)構(gòu)的的油箱下表面位移是最小的，因此在進(jìn)行3種影響因素分析時(shí)，采用平面結(jié)構(gòu)分別單獨(dú)模擬3種因素的影響時(shí)，可以得到其對(duì)油箱表面影響的最大值，同理，采用加鋼帶結(jié)構(gòu)則可以得到其對(duì)油箱影響的最小值。

當(dāng)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(shí)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(jié)果如圖4所示，在不考慮油壓和燃油蒸氣壓的情況下，通過(guò)平面結(jié)構(gòu)可知，油泵彈簧力對(duì)油箱上下壁面的影響的最大值為0.575mm。

圖4 平面結(jié)構(gòu)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(jì)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(jù)式（1）可得到油液的壓力分布，模擬結(jié)果見(jiàn)圖5，在不考慮彈簧力和燃油蒸氣壓的情況下，通過(guò)平面結(jié)構(gòu)可知，油壓對(duì)油箱上下壁面都有影響，最大值為0.564mm。

圖5 平面結(jié)構(gòu)油壓的影響

模擬時(shí)油箱的相對(duì)壓力值是試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的極限壓力值，模擬結(jié)果如圖6所示，在不考慮彈簧力和油壓的情況下，通過(guò)加鋼帶結(jié)構(gòu)可知，相對(duì)壓力值對(duì)油箱上下壁面的影響的最小值為2.7mm。

圖6 加鋼帶結(jié)構(gòu)相對(duì)壓力的影響

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

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)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(shí)的變形量；2）3種油箱結(jié)構(gòu)中，加鋼帶方案的最大變形量是最小的；3）油箱應(yīng)在保證容積的情況下，盡量減少大平面結(jié)構(gòu)；4）油液蒸氣壓對(duì)油箱壁面位移的影響最大，油壓和彈簧力對(duì)其影響較小。

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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(chē)燃油系統(tǒng)方面的研究。E-mail：qitao212@qq.com