商用车油箱支架疲劳寿命仿真分析

Simulation for Fatigue Life of Commercial Vehicle Fuel Tank Bracket

Zhao Weiyan

（ Shaanxi Automobile Group CO.，LTD，Xi'an 710043，China；School of Automobile，Chang'an University，Xi'an 710064，China）

摘要： 汽车油箱支架是燃油供给系统中的重要部件，承受油箱的质量载荷，其主要的损伤形式是在路面冲击载荷作用下发生的疲劳失效。基于某型车出现失效问题的油箱支架的有限元模型进行了静强度分析和疲劳寿命分析，有限元仿真结果与该件破坏结果相一致。对油箱支架结构进行设计改进，并对改进结构进行了静强度和疲劳寿命分析，满足设计要求，而且在使用过程中没有发现早期断裂现象。

Abstract: The fuel tank bracket is a main part of the oil supplying system in a vehicle, which is loaded mass of fuel tank and the fatigue damage under impacting load from the ground is the main invalidation mode. The finite simulation to static strength of certain truck fuel tank bracket damaged has been done based on the finite element analysis（FEA） model, The result for FEA agreed to that one damaged. The design has been improved, andthe finite simulation to static strength and the fatigue life of the fuel tank bracket were analyzed. On the basis of the analysis result, the new design satisfies the strength and life demands, and early break did not appear in use.

关键词： 油箱支架 疲劳寿命 有限元分析 仿真

Key words: fuel tank bracket；fatigue life；finite element analysis；simulation

中图分类号：U463文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）29-0046-03

0引言

汽车的动力来自于燃油供给系统，油箱的重量被油箱支架支撑着，如果支架出现故障就会使油箱直接脱落下来，中断动力，所以必须保证油箱的强度和使用寿命，使整车的要求得到满足，让燃油系统更具稳定性。重型商用车的油箱容量通常高于380升，重量相对要大得多那些行驶路面状况比较恶劣的工程车，受路面冲击严重，客观上恶化了油箱支架的工作环境，因此也更高的要求着油箱支架的强度。所以将油箱支架设计的更合理，在满足强度和使用寿命的要求的同时努力将其质量降到最低，对降低车重、燃油供给系统稳定性的提高都有重要意义。

下文采取有限元分析手段，对油箱支架静强度与疲劳行为展开了研究，在Hypermesh/Radioss的基础上分析计算了静强度和疲劳寿命，对比分析了原结构架和实车破坏样件，仿真分析的结果完全符合破坏件破坏形式，对油箱支架的破坏原理作出了真实反映。除此还分析了改进后的油箱支架的静强度和疲劳寿命，与设计要求相符，应力集中和早期断裂得到了控制。

1油箱支架破坏问题描述

本次主要是牵引车的油箱支架出现了破坏迹象，其基本上都是在二级以上公路的路面行走，裂纹隐患或断裂在大概行驶70000公里时批量性出现，断裂件形状如图1、图2。车辆运行时，油箱支架承受的荷载主要来源于油箱质量，此外还有路面冲击引起的动载系数恶化了油箱支架的受力环境。初步判断油箱支架断裂属于疲劳断裂，因为支架是用两段“几”型钢焊接形成的，且没有任何强筋版出现在焊接处，使得其较为薄弱，这个接缝在工作期间又很容易成为冲击荷载的集中应力点，其本身可能固有的焊接缺陷，就会使得细微裂纹在集中应力点和焊接处不断出现，成为疲劳源，裂纹随着行驶里程增加不断扩大，逐渐消弱构建横截面，最后当构建难以承受所加载荷时突然性的脆性断裂就发生了。

根据油箱总成三维模型（图3）建立有限元模型，然后综合考虑工艺影响，对油箱支架进行静强度和疲劳寿命分析和改进，同时与破坏件断裂情况进行对比，以此检验分析结果的准确性。

2仿真计算与结果分析

2.1 静强度有限元分析有限元建模利用HyperMesh/Radioss处理在三维模型和油箱质量420Kg基础上展开的建模，简单地说本模型就是计算车架两端约束、单点加载的工况，像图4显示的那样。用四边形壳单元和三角形壳单元进行网格划分，油箱支架的网格需要重点研究的尺寸定为3mm，剩下的是10mm。使用GAP单元（图5）在紧固带和油箱、油箱与支架、支架与车架的接触处模拟接触力，将油箱支架的受力情况真实的反映出来。同时施加约束定义给已建立好的有限元模型，将建立车架两端多点约束单元（multi-point constraint，MPC）作为约束条件，在车架两端的节点上分别约束其在X、Y、Z三个方向的平移自由度和转动自由度，模拟车架固定。油箱支架与车架之间通过Bar单元进行连接，模拟螺栓连接。油箱支架承受油箱的质量载荷，质量载荷定义为在油箱质心处施加点质量420Kg，质量点通过Rbe3单元与油箱底面连接在一起（图6）。零件质量通过材料密度自行计算施加。计算过程中涉及到油箱总成各零件的材料及其固有力学性能参数见表1。

根据三维模型和上述受力分析进行有限元建模，采用HyperMesh/Radioss工具进行前处理和计算，本模型可以简化为八点约束、两点加载的计算工况。用四节点四面体单元对转向器支架进行网格划分，建立好的有限元分析模型如图5所示。在建立好的转向器支架有限元模型上施加约束定义，约束条件为通过建立转向器支架与车架螺栓连接处的多点约束单元（multi-point constraint，MPC），在与车架连接的螺栓孔的中心节点上分别约束其在X、Y、Z三个方向的平移自由度和转动自由度，模拟转向器支架被固结在车架上。转向器支架所承受载荷包括转向器的质量和转向力矩，质量载荷定义为在转向器质心处施加点质量44kg，质量点通过Rbe3单元与转向器支架连接在一起，力矩载荷定义为在干而粗糙的支承面上转向轮作原地转向时转向器支架所承受的力矩，在转向器支架与摇臂连接点处施加转向力矩6730Nm，此点通过刚性Rigid单元与转向器支架连在一起。计算过程中涉及到转向器支架的材料及其固有力学性能参数见表1。

在一定的安全系数下材料的屈服极限大于或等于计算的应力值即为静强度合格条件，在相关经验的基础上本文拟采用的安全系数是1.5倍的，即把油箱的质量放大1.5倍处理。图7是根据定义得出的应力分布情况，油箱支架在1.5倍质量载荷时承受着288MPa的等效应力值，应力值在两块“几”型钢的焊接处高出了材料屈服极限245MPa，证明这个油箱支架在静强度指标上存在缺陷，局部应力集中在该支架中有所显现，存在疲劳隐患。油箱支架的焊接处需要外加强板焊接处理，弥补原来内板焊接的缺陷，图8为加强前后模型的对比情况。从加强后的模型静强度分析结果可知，应力值下降明显，最大值为198MPa，同时明显改善了两块“几”型钢相连处应力集中的，应力值最大只有100MPa，符合静强度要求。

2.2 疲劳寿命分析对油箱支架的疲劳寿命以静强度分析结果为基础，采用S-N曲线和载荷谱加以分析。材料S-N曲线参数和材料疲劳载荷谱在分析疲劳寿命时需要查明。

S-N曲线实验测定需要的金钱和时间很多，所以本文确定S-N曲线时是在经验的基础上估算出了疲劳极限，S-N曲线用经验关系式估算较为保守，可一定程度上指导实验分析。S-N曲线使用标准材料试验时，曲线参照材料103与106次循环疲劳强度便可得知，从经验可知103次循环的疲劳强度与90%的拉伸强度极限Sb大体相等，106次循环疲劳强度，也就是疲劳极限为Sb的一半。从何经验公式可知使用20＃钢的油箱支架的双对数S-N曲线就像图9那样。

疲劳载荷由确定性的载荷和随机载荷组成。确定性载荷是载荷变化有一个确定的规律，能够用明确的数学表达式来描述，根据这个表达式可以确定未来任何一个瞬时的载荷准确值，实验室疲劳试验载荷一般属于确定性载荷。随机载荷就是不能用数学关系式来描述的载荷，即载荷的幅值、频率都随时间无规律变化的载荷。此文的疲劳分析依据的是随机载荷，高速公路上车速约为68Km/h（常用车速）时，对油箱支架处加速度变化信号进行采集，得出加速度在某一时域的数据（图10），加速度以g为单位，即1倍重力加速度，图10可以观察到加速度信号的变化是比较均匀的，所以可将其周期缩短处理，节约计算资源。通常处理信号时要遵循满足关心频率和采样周期要求的原则，处理方法是先频域转换时域内的信号，然后考察频域信号，把幅值较大的频率当做关注频率，缩短时域加速度曲线，最后，确定采样周期的选取标准，即最小频率。图10经傅立叶变化以后得到图11所示的频域的加速度曲线，观察可知当频率值在1.63Hz、2.14Hz、5.31Hz和11.05Hz时加速度幅值较大，将加速度时间历程依据这几个频率值压缩，但要注意满足采样定理的要求，也就是采样周期一定要比最大周期（对应最小频率1.63Hz）长出1倍，也就是采样时间T一定要在1.23秒以上，最后输入后续疲劳载荷谱周期信号时使用前2秒时间里的加速度信号，因为所研究的车辆一般是在二级或二级以上的公路路面运行的，采集的加速度信号则是高速公路上面的，所以根据以往经验要对上述的加速度信号采取1.5被加权，图12即为经加权计算得出的疲劳分析加速度谱。

在HyperMesh/Radioss环境中，定义材料的S-N曲线、表面处理和循环加载工况，在静强度计算结果的基础上计算循环载荷谱依据图12输入加速度普，也就是加权运算静态应力分布加速度值得出循环载荷谱，之后就可以评估计算油箱的支架疲劳寿命了，图13所显示的即为其疲劳寿命计算结果。对其分析以后可知，油箱支架的疲劳寿命在改进之前为30万次，在车速和载荷谱时间基础上折算出里程为11333Km，两块“几”型钢焊接处为疲劳危险部位的分布区，与静强度计算结果相符，其他部位的疲劳寿命足够；油箱支架改进以后估算的的疲劳寿命为120万，折合成里程45333Km。寿命折合行驶里程的计算公式如下式：L=■

其中：L――折合行驶里程，Km；

t――采样周期，s（秒）；

V――采样时的车速，Km/h；

S――计算得到的疲劳循环次数，每次循环对应2s的采样周期。3结论

在油箱支架总成有限元模型的基础上对静强度仿真计算，装配在整车上的构件在实际中和使用规律和有限元仿真结果相同，精度也很高。从静强度分析结果看出由于油箱支架的两块“几”型钢是利用焊接连接起来的，且无加强筋，这就使得应力集中区域在客观上增多了，构建的疲劳极限因为应力的集中和焊接缺陷被大大的降低了，使得构建早期疲劳失效。所以要用板筋加强焊接处，改进后的设备静强度分析以后满足了强度要求，根据S-N曲线以及随机载荷谱预估了改进前后支架的疲劳寿命，疲劳寿命改进后提高显著，符合设计和使用要求。

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