王寶祥 ，王 峰 ，段素萍 ，李洪廣

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.中國重型汽車集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

近年來，隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，“節(jié)能降耗，減排環(huán)保”已成為汽車制造業(yè)發(fā)展的重要課題[1]。研究表明，汽車本身的輕量化是降低汽車耗油量、減少二氧化碳排放量的有效手段之一[2]。特別是在重卡行業(yè)，由于目前混合動(dòng)力、電動(dòng)、燃料電池等新能源汽車技術(shù)的應(yīng)用比較有限，故降低車重仍是重卡最易實(shí)現(xiàn)且最有效的技術(shù)手段[3]。數(shù)據(jù)顯示，車體重量約占整車總重量的30%。在車輛空載時(shí)，大約70%的燃油將消耗在車體重量上。車體重量每減少100 kg，能夠節(jié)省0.6 L 的燃料[4]。因此，輕量化在未來汽車的發(fā)展中將起到重要的推動(dòng)作用。

在保證零件使用安全可靠性的條件下，利用密度小、比強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料是輕量化的重要選擇。鋁合金具有密度低、力學(xué)性能佳、加工性能好、無毒、易回收、導(dǎo)電性好、傳熱性及抗腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)[5]，是制作卡車油箱支架的首選材料。目前，以鋁代鋼的產(chǎn)品已經(jīng)逐漸滲透至工業(yè)的各個(gè)方面。比如，廈門某汽車有限公司通過簡單的材料替換與厚度調(diào)整成功實(shí)現(xiàn)了整車骨架的以鋁代鋼，且屈服強(qiáng)度與安全系數(shù)均達(dá)標(biāo)[6]；蘇州某汽車零部件公司在研發(fā)中空助力器殼體時(shí)，將鋼材改為了鋁材并且各項(xiàng)力學(xué)性能均達(dá)標(biāo)[7]。由此可見，在油箱支架上實(shí)現(xiàn)以鋁代鋼是比較可行的。

目前，卡車鋁合金輕量化產(chǎn)品有發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、翼子板支架、后處理安裝支架及尿素箱支架等，鋁合金重卡油箱支架產(chǎn)品已經(jīng)顯示出良好的應(yīng)用前景，但目前該產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)尚未見報(bào)道[8]，這與鋁合金有限的強(qiáng)度有一定的關(guān)系[9]。但相關(guān)研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)和改進(jìn)加工技術(shù)，可以提高鋁合金的性能，擴(kuò)大其用途，而這些方法中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低成本，充分發(fā)揮鋁合金的特性。經(jīng)行業(yè)內(nèi)部調(diào)研，目前國內(nèi)商用車整車廠已經(jīng)開始嘗試開發(fā)鋁合金重卡油箱支架，且一些樣件已完成臺(tái)架試驗(yàn)等可靠性試驗(yàn)。一些廠商[10]研發(fā)的燃油箱托架中心設(shè)有凹槽，在所述燃油箱托架兩端凹槽的側(cè)壁上均設(shè)有通孔；燃油箱托架一端通過平頭銷穿過通孔、箍帶頭部襯套與燃油箱箍帶的一端連接，且平頭銷伸出端由開口銷固定。該結(jié)構(gòu)不僅起到了很好的減重效果，而且還避免了支架與油箱的滑動(dòng)。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，國外汽車制造商基于有限元軟件的零部件結(jié)構(gòu)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)成熟，研究領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到碰撞分析、瞬態(tài)響應(yīng)、噪聲分析等[11]。因此，采用有限元分析方法研究鋼質(zhì)支架鋁合金化的可行性，并對(duì)油箱支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠使鋁合金油箱支架在卡車上得到更安全可靠的應(yīng)用[12]。本文針對(duì)某卡車鋼質(zhì)油箱支架輕量化的需要，擬采用鋁合金壓鑄件替代原鋼質(zhì)鈑金件。根據(jù)鋼質(zhì)油箱支架的結(jié)構(gòu)尺寸、安裝尺寸和鋁合金壓鑄件輕量化設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)出鋁合金油箱支架，并利用有限元分析軟件對(duì)油箱支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，以期為鋁合金油箱支架的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 油箱支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油箱是汽車動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件，油箱支架起著固定和支撐油箱的作用[13]。油箱支架不僅承受油箱和燃油的重量，而且還受到路面沖擊的載荷。支架服役中一旦出現(xiàn)失效情況，油箱就會(huì)掉落，對(duì)車輛安全性造成很大影響。此外，輕量化的油箱支架將減輕動(dòng)力系統(tǒng)的重量，從而有助于提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。就本研究中的重卡而言，油箱和燃料的總重量過重，油箱支撐的使用環(huán)境比較苛刻。為此，足夠的強(qiáng)度是油箱支架必備的性能指標(biāo)之一，應(yīng)合理有效地設(shè)計(jì)油箱支架以最大限度地減輕重量并滿足強(qiáng)度性能要求，從而保證其具有較高的安全可靠性[14]。

1.1 鋼質(zhì)油箱支架結(jié)構(gòu)尺寸

原鋼質(zhì)油箱支架采用沖壓工藝成形，其三維實(shí)體模型如圖1 所示。鋼質(zhì)油箱支架外形尺寸約為660 mm×120 mm×720 mm，材料為Q420B 鋼，質(zhì)量為9.862 kg，壁厚尺寸為4 mm，整體工件屬于不規(guī)則形狀的薄壁件。

圖1 鋼質(zhì)油箱支架的三維立體模擬圖

油箱支架的安裝關(guān)系如圖2 所示，780 L 油箱需要三個(gè)油箱支架進(jìn)行支撐，支架一端通過四個(gè)螺栓與車架相連，另一端與油箱拉帶相連。

1.2 鋁合金油箱支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼質(zhì)油箱支架的結(jié)構(gòu)尺寸、安裝尺寸和壓鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，綜合考慮合金性能、壓鑄件的受力狀態(tài)、工作環(huán)境、生產(chǎn)條件以及經(jīng)濟(jì)性和可利用性等[15]，對(duì)鋁合金油箱支架進(jìn)行了設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)過程如下：1）鋁合金油箱支架的安裝位置與原鋼質(zhì)支架一致，即安裝邊界條件不變；2）支架采用壓鑄工藝，為了便于壓鑄成形，選取開模方向?yàn)長 形支架平面的垂直方向，除兩端固定位置外，整個(gè)截面采取工字型設(shè)計(jì)，如圖3 所示；3）由于壓鑄件的壁厚較薄，針對(duì)負(fù)荷有限的情況，在工字型兩側(cè)凹槽內(nèi)增添三角型加強(qiáng)筋，以提高鋁合金支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；4）為了減少壓鑄件的卷氣缺陷，支架壁厚不應(yīng)太大，故本設(shè)計(jì)中工字型部分的壁厚為8 mm（見圖3）。

所述鋁合金支架本體的兩側(cè)面均內(nèi)挖形成有若干凹槽，且相鄰所述凹槽之間構(gòu)成加強(qiáng)筋。考慮到穩(wěn)定性，決定采用三角型加強(qiáng)筋，如圖4 所示。

圖4 三角型加強(qiáng)筋

設(shè)計(jì)的鋁合金油箱支架三維實(shí)體模型如圖5 所示。鋁合金支架質(zhì)量為5.701 kg，材料為ADC12，相較于鋼質(zhì)油箱支架，鋁合金支架質(zhì)量減輕42.2%。

圖5 鋁合金油箱支架三維實(shí)體模型

1.3 有限元模型建立與導(dǎo)入

對(duì)油箱支架模型進(jìn)行離散化處理。在有限元分析軟件中導(dǎo)入三維幾何模型時(shí)，為避免由于接口問題而造成導(dǎo)入模型表面無法貼合、間隙或邊界錯(cuò)位等錯(cuò)誤，導(dǎo)致分割單元的質(zhì)量較低，解決進(jìn)度和效果較差等問題，在劃分支架的網(wǎng)格之前，有必要對(duì)支架的立體模型進(jìn)行檢查，在確認(rèn)模型沒有進(jìn)一步的缺陷之后，再劃分支架的網(wǎng)格[16]。剖分四面體網(wǎng)格，每一個(gè)單元有4 個(gè)節(jié)點(diǎn)，安裝孔0 自由度，銷子內(nèi)孔的自由度為1，其余位置的自由度均為6；劃分后的單元總數(shù)量為8 026 886 個(gè)。鋁合金油箱支架在劃分單元格后的有限元模型如圖6所示。

圖6 鋁合金油箱支架有限元模型

1.4 材料性能及物性參數(shù)

原鋼質(zhì)油箱支架材料為Q420B 鋼，其力學(xué)性能為σb=617 MPa、σs=420 MPa、δ=5%，現(xiàn)擬用鋁合金ADC12代替，其力學(xué)性能為σb=230 MPa、σs=170 MPa、δ=1%[17]。鋁合金和鋼材料的物性參數(shù)如表1所示，將上面的數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入有限元軟件的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

表1 鋁合金和鋼材料的物性參數(shù)

1.5 邊界條件及施加載荷

1.5.1 邊界條件

油箱支架起到支撐油箱的作用，在車輛行駛時(shí)，油箱支架主要承受油箱和燃油的重量載荷。根據(jù)油箱支架在卡車中的空間位置，設(shè)置原點(diǎn)坐標(biāo)及坐標(biāo)軸。在汽車坐標(biāo)系中，x負(fù)方向?yàn)槠囆旭偡较颍瑈正方向指向汽車右側(cè)，z正方向指向汽車上方。油箱系統(tǒng)和車架縱梁連接，全約束縱梁兩端[18]。油箱支架裝配示意圖如圖2 所示。支架整體呈現(xiàn)“L”形；鋁合金油箱支架上半部分通過四個(gè)M14 的安裝孔固定，上下兩個(gè)孔是和綁帶預(yù)緊螺栓配合的銷孔。

1.5.2 邊界及載荷設(shè)置

基于卡車中支架的位置和工作狀況，首先定義了邊界條件，由于在實(shí)際工作環(huán)境中油箱支架與其后面車架的連接起到了固定作用，所以4 個(gè)M14 孔為全方位約束；安裝孔與卡車車架緊密連接，不設(shè)置自由度；銷子只有沿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置1 個(gè)自由度；其他的地方設(shè)置6 個(gè)自由度；每個(gè)油箱支架施加垂直于地面方向的集中載荷為6 860 N（假設(shè)油箱支架的下底面與地面平行），其計(jì)算過程為：3×9.8 m/s2×700 kg÷3=6 860 N（重力加速度取9.8 m/s2；考慮到安全性，選取3g的加速度來計(jì)算；油箱加滿油的重量為700 kg；一個(gè)油箱有三個(gè)支架，平均每個(gè)支架的集中載荷為6 860 N）。支架上下螺旋孔中通過銷子與綁帶固定，應(yīng)力分析時(shí)綁帶用彈簧單元近似處理，計(jì)算后，彈簧剛度系數(shù)K=18 375 N/mm，邊界與加載條件如圖7所示。

圖7 邊界與加載條件

2 油箱支架有限元模擬分析結(jié)果

依據(jù)油箱支架的邊界和加載條件，分別對(duì)原鋼質(zhì)油箱支架與鋁合金油箱支架進(jìn)行了有限元分析，其等效應(yīng)力模擬結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，鋼質(zhì)油箱支架在有限元分析后的等效應(yīng)力分布情況和大小與鋁合金油箱支架的數(shù)據(jù)大致相似，最大應(yīng)力值位置（圖8中紅色區(qū)域）與數(shù)值如表2所示。

表2 兩種材質(zhì)的支架模擬結(jié)果對(duì)比

從圖8 中的結(jié)果可以看出，兩種材質(zhì)支架的受力區(qū)域基本一致，都在最下方安裝孔的下面。鋁合金支架的最大應(yīng)力面積要大于鋼質(zhì)支架的最大應(yīng)力面積；兩種材質(zhì)支架的應(yīng)力最大值區(qū)域也基本相同，都在支架中部靠上的地方。兩支架受到的最大應(yīng)力值都低于各自材料的屈服強(qiáng)度。然后從安全系數(shù)的角度展開研究，安全系數(shù)指的是在工程設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，所用材料的失效應(yīng)力與目標(biāo)應(yīng)力的比值[19]。一般情況下，為了確保設(shè)計(jì)零件的安全性，設(shè)計(jì)者會(huì)將載荷、零件的構(gòu)造以及選取材料的不同作為依據(jù)對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行取值。此外，安全系數(shù)也作為一個(gè)衡量設(shè)計(jì)作品是否安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)，表征了零件的安全性與可靠性。

計(jì)算兩種材質(zhì)支架的安全系數(shù)，安全系數(shù)的計(jì)算公式如（1）所示。

式中，n為安全系數(shù)，σ0為失效應(yīng)力，[σ]為許用應(yīng)力。

由于兩支架材料鋼與鋁合金都屬于彈塑性材料，依據(jù)屈服標(biāo)準(zhǔn)，由彈塑性材料所構(gòu)成的零件，其失效應(yīng)力應(yīng)該等于其材料的屈服強(qiáng)度極限。在一般載荷下，就塑性材料而言，ns=1.5～2.0。

式中，ns為塑性材料安全系數(shù)，σs為屈服強(qiáng)度，[σ]為許用應(yīng)力。

鋼質(zhì)支架的安全系數(shù)計(jì)算過程：ns=420 MPa/323.44 MPa=1.30。

鋁合金支架的安全系數(shù)計(jì)算過程：ns=170 MPa/124.511 MPa=1.37。鋁合金螺栓孔由于過約束導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以鋁合金支架的安全系數(shù)無需考慮螺孔處，而其他位置的應(yīng)力值都小于鋁合金的屈服強(qiáng)度（除螺孔處外，鋁合金支架最大的應(yīng)力值是124.511 MPa）。

在模擬完成后，計(jì)算這兩種支架的安全系數(shù)（這里將最大應(yīng)力作為許用應(yīng)力），得出鋁合金支架的安全系數(shù)為1.37，其略大于鋼質(zhì)支架的安全系數(shù)1.30。這說明，即使鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都要弱于鋼，但是由于對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了鋁合金的安全系數(shù)[20]，使其能夠超過原鋼質(zhì)支架的安全系數(shù)，即在達(dá)到零件輕量化目標(biāo)的同時(shí)也達(dá)到設(shè)計(jì)可靠性的要求。

兩種材質(zhì)支架的位移云圖如圖9所示。

圖9 位移云圖模擬結(jié)果

由圖9可知，兩種支架的Z向最大位移量均位于支架上遠(yuǎn)離車架最遠(yuǎn)端的位置，其數(shù)值分別為5.9 mm（鋼質(zhì)支架）和3.8 mm（鋁合金支架）。這說明鋁合金支架的最大位移量小于鋼質(zhì)支架的最大位移量，所以鋁合金支架的變形量更小，安全可靠性更高。

3 工藝經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

原鋼質(zhì)支架采用沖壓成形工藝，其由四個(gè)沖壓工序成形，工序煩瑣；由于鋼材有塑性回彈，在彎曲成形后易使工件產(chǎn)生變形，導(dǎo)致支架形狀和尺寸存在偏差，需要通過校正工序進(jìn)行整形。而鋁合金油箱支架采用壓鑄工藝成形，工序簡單，一次壓鑄即可獲得工件。壓鑄件的形狀和尺寸可由壓鑄模具保證，壓鑄件尺寸精度較高，表面光潔，并且穩(wěn)定性好，互換性高。因此，油箱支架采用壓鑄成形可以解決原沖壓工藝易產(chǎn)生力學(xué)變形的缺陷，大大降低了制造成本，提高了生產(chǎn)效率。

鋼質(zhì)沖壓件的成本低，但易變形、重量大；而鋁合金支架輕量化效果明顯，壓鑄生產(chǎn)效率高，尺寸可由壓鑄模具保證。綜合起來對(duì)比，若大批量生產(chǎn)，壓鑄工藝要比沖壓工藝成本可控，效益明顯。因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，油箱支架采用壓鑄工藝要優(yōu)于沖壓工藝。

4 結(jié)論

1）在相同的外載荷條件下，鋼質(zhì)和鋁合金油箱支架的應(yīng)力分布情況大致相同，均符合零件的服役標(biāo)準(zhǔn)。

2）鋁合金油箱支架采用的兩側(cè)凹槽+內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)方案，可以明顯改善支架的受力情況，其最大等效應(yīng)力比鋼質(zhì)支架減少145.57 MPa，并且具有比鋼質(zhì)支架更小的等效應(yīng)變及最大位移量，還具有明顯的輕量化效果，質(zhì)量減輕42.2%。

3）鋁合金油箱支架通過合理設(shè)計(jì)的輕量化結(jié)構(gòu)可以提高其安全系數(shù)，其安全系數(shù)高于原鋼質(zhì)支架，表明以鋁代鋼生產(chǎn)油箱支架是可行的。