基于ANSYS的卡車燃油箱結構強度分析

逄明華,樊克艷,聶永芳

（1河南科技學院,河南新鄉 453003;2延津縣電業局,河南延津 453200）

基于ANSYS的卡車燃油箱結構強度分析

逄明華1,樊克艷2,聶永芳1

（1河南科技學院,河南新鄉 453003;2延津縣電業局,河南延津 453200）

卡車燃油箱是燃油供給系統的核心部件,其設計研發主要依靠工程師的經驗來完成,產品更新速度慢,成本高.結合現代化設計方法利用三維軟件UG設計出卡車油箱的三維結構模型,然后利用有限元方法對卡車燃油箱結構進行應力應變分析,求出卡車油箱的最大應力值σmax為319.237MPa,最大應變值εmax為13mm,為卡車油箱的設計修改提供理論參考依據.大大降低了卡車油箱的設計成本,提高了產品研發效率.

卡車燃油箱；有限元方法；UG；結構分析

卡車燃油箱是卡車燃油供給系統的關鍵部件,其性能的好壞直接影響到卡車的安全,傳統的生產廠家主要采用試制—試驗—修改—再試制—再試驗的設計流程,工程師憑經驗設計出產品,然后通過樣件檢測性能、校核法規.這樣,一個產品從概念設計到批量生產,往往需要多次試制樣件和漫長的設計修改過程,造成人財物以及時間的大量消耗.隨著我國汽車時代的到來和汽車工業的飛速發展,新車型推出的速度越來越快,傳統的設計方法已經不能滿足產品更新換代的快速響應要求[1].利用現代化設計技術,對其設計的卡車油箱模型進行三維結構設計,按照國家相關規范校核結構強度及疲勞強度,利用板料成形有限元分析技術預測產品的受壓情況,并對質量進行控制研究,對生產企業縮短開發周期,提高開發質量,適應快速變化的市場需求,增強市場競爭力具有非常重要的現實意義.

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發的計算機模擬工程結構有限元分析軟件,ANSYS現已成為世界頂端的有限元分析軟件.它融結構、傳熱學、流體、電磁、聲學、爆破分析于一體,具有功能極為強大的前后處理及計算分析能力,目前廣泛應用于土木、水利水電、汽車、機械、采礦、核工業、船舶、日用家電等領域.ANSYS軟件作為一款通用有限元分析軟件,其強大的建模、網格劃分和分析功能極大地方便了用戶對產品進行分析[2].本文以ANSYS軟件為平臺,對卡車燃油箱進行精確建模、分析、求解,得到最大應力及最大應變的參考值,這樣不僅為卡車油箱的機構強度進行驗證,還為油箱的設計修改提供參考依據.

1 卡車油箱分析過程

1.1 卡車油箱有限元模型建立

對于實體建模,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”就是在確定的坐標系下直接定義實體體素結構,然后對這些實體要素求“交”、“并”、“差”等布爾運算生成所需的幾何體.“自底向上的建模法”就是在確定的坐標系下,依次定義點、線、面,最后由面生成體的一個完整的建模過程.在創建復雜模型時這兩種方法都比較困難,所以對于復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,導入到ANSYS軟件中來獲得[2].本文是利用現有的三維軟件UG創建出卡車油箱的幾何模型如圖1（a）所示,然后再導入到ANSYS軟件中創建出有限元分析模型,如圖1（b）示.

圖1 卡車油箱模型

直接導入的模型由于軟件之間的接口問題,所得到的模型不能直接進行分析,要對模型進行修改和簡化,在此,對卡車油箱模型做了如下簡化和假設[3]:

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

（2）不考慮板間焊縫對有限元計算的影響,將整個油箱及焊接邊看作一個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應位置的有限元節點上.

1.2 卡車油箱參數

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脫氧的優質碳素結構鋼,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性能和成形性能,廣泛用于各種車輛中形狀復雜的深沖壓零件（如:汽車、拖拉機車身、駕駛室、發動機外殼等不承受載荷的各種沖壓零件).其力學性能為:屈服強度σs=400～420MPa,伸長率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shell63.

1.3 網格劃分

在有限元結構分析過程中,計算結果的準確性主要取決于計算單元種類的選取,同時材料的應力應變關系的建立也是十分關鍵.由于卡車油箱為薄壁結構,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,可以承受平面內荷載和法向荷載,單元每個節點具有6個自由度:沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動.應力剛化和大變形能力已經考慮在其中.在大變形分析（有限轉動)中可以采用不變的切向剛度矩陣.在單元的面內,其節點厚度為輸入的四個厚度值,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,則四個節點的厚度均需輸入.綜合以上的各種條件,shell63單元符合本設計的需要,在此選擇shell63單元作為本分析的單元類型,見圖2.

圖2 shell63單元信息

單元選擇完成后,設定單元的尺寸為20mm.選擇所有面進行網格劃分,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,由于柴油箱是通過位于后板上的6個安裝孔安裝在裝載機后車架右側面,在工作過程中相對于車架的右側面來說油箱是固定不動的,因此,在施加約束條件時,設定后板上的6個安裝孔設定為X、Y、Z三個方向上位移為零.受力條件的添加,由于卡車油箱在行業標準中要求,在0.7MPa的工作壓力下,油箱的應力必須滿足強度要求,不允許出現裂縫和強度不足等情況,所以油箱的最大工作壓力σmax不能超過σs,并且規定油箱的變形不允許超過1.5倍的油箱箱壁厚度,所以添加受力模型時為所有外表面都承受向外的壓強0.7MPa[4-6].

2 結構強度求解

圖3 卡車油箱網格模型

2.1 強度與剛度求解

邊界條件施加完成后,進行求解,輸出求解的應力與應變圖.通過結果圖4（b）可知最大應力出現在油口處和油箱側面的中間部分,Miss應力的最大值σmax為319.237MPa,對于油箱的允許應力σs為400MPa,以不超過所選用鋼材的屈服強度為強度標準,σmax為319.237MPa小于屈服應力σs為400MPa,所以在強度方面油箱滿足要求.

圖4 卡車油箱分析結果

對于變形條件,在標準中要求油箱箱壁加強鐵及箱蓋的允許變形值不超過2.5倍壁厚,箱蓋不超過1.5倍箱蓋厚度即可認為是安全的.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,現有設計變形最大值已達到了13mm,所以油箱的結構剛度不滿足要求.

2.2 改進措施

通過分析結果可以看出油箱的變形主要發生在箱體的中間部分,由于這部分離兩端蓋比較遠剛度比較低,所以應該采用加強措施來提高此部分的剛度,改進方案1:在中間部位加一圈加強板；改進方案2:在距油箱兩端各1/3處加兩圈圓周型擋板.通過重新劃分網格添加邊界條件進行分析,這兩種方法強度都能滿足要求,剛度方面其應變從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作為改進方案,這種方案在降低油在運動過程中的沖擊,提高油箱的安全性方面都優于方案1.對于油口處的最大應力雖然小于屈服極限,為了提高油箱的安全系數將加油口的過度圓角現改為15mm的過度半徑.通過設計改進,這款油箱在實際使用中沒有發現任何強度問題.

圖5 卡車油箱結構改進

3 結論

本文通過對燃油箱的精確建模,結合有限元方法對油箱在特定壓強下進行分析,得出如下結論:①油箱的變形主要是各個側面中間的部分變形最大,這與實際情況吻合,根據分析結果修改最初設計模型,從而保證模型的變形量在要求的范圍內；②通過應力云圖可以看出燃油箱的油口處屬于應力集中,最容易發生破壞,在實際中要注意增大過度圓角來降低這部分的應力集中,其次是油箱體的中間部分也容易產生較大的應力,在設計中要注意采取措施進行改進；③借助于計算機輔助的現代設計技術不但可以大大減少研究費用,還可以得到比較精確的設計結果,也為燃油箱的優化設計和可靠性設計等后續設計分析提供比較可靠的理論依據,進而優化油箱結構、外形或者優化燃油箱材料和工藝,最終實現燃油箱結構、材料和工藝的完美結合.

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[2]段進,倪棟,王國業.ANSYS10.0結構分析從入門到精通[M].北京:兵器工業出版社,2006:10-45.

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[4]翟春聯,劉陽江,馮豪,等.某型裝載機柴油箱結構強度設計[J].工程機械,2011,42(1):14-17.

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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.主要從事機械設計與機械原理教學與科研工作.

盧奇）