摘要：汽车燃油系统是一种功能系统，具有接收并储存燃料，感应并显示油量信息，为发动机供油，把未使用燃油输回燃油箱的功能体，另外，它可以同时管理车辆操作者在加油和使用车辆时产生的燃油蒸汽。而燃油系统与车身的固定一般靠绑带或固定支架固定于车身，其固定的稳定程度直接影响到行车安全。因此汽车燃油系统绑带的必须有足够的刚度、强度、疲劳寿命。工程师设计油箱绑带主要依据经验及静力学相关知识对零件进行设计，从而导致某些项目的零件在开发阶段的道路耐久性实验中发生疲劳断裂，严重影响行车安全。因此对油箱进行疲劳耐久性研究十分必要。
本文通过对疲劳理论的研究，以有限元的方法，对燃油箱总成进行静力学分析，同时对燃油箱进行疲劳耐久分析。
1疲劳耐久分析的理论基础
1.1疲劳的定义
当部件承受动态载荷，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的、永久结构变化的过程，称为疲劳，这是美国试验与材料协会（ASTM）对疲劳所作的定义[9]。由疲劳的定义可以看出疲劳具有以下四个特点：
（1）只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生。
（2）疲劳破坏起源于局部的高应力或高应变。
（3）疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。
（4）疲劳是一个发展的过程。
19世纪30年，德国人（W.A.lbert）提出疲劳问题，随后的几十年内，疲劳分析理论快速发展并逐渐成熟[10]。随着计算机技术和有限元技术的发展，20世纪80年代，出现了基于有限元的疲劳分析，与基于试验的传统疲劳分析相比，基于有限元疲劳分析能够提供零部件表面的疲劳寿命分布图，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置；因此有限元疲劳分析能够减少试验的次数，大大缩短产品的开发周期，降低产品开发成本，提高产品市场竞争力，有限元己经成为汽车产品开发过程中的必不可少的工具[11][12][13]
1.2材料的S-N曲线
疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数叫疲劳寿命，表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的S-N曲线，简称为S-N曲线，这种曲线通常都是表示中值疲劳寿命与外加应力之间的关系，所以也称为中值S-N曲线，又称沃勒曲线[14][15]
S-N曲线是以最大应力。σmax、或应力幅σa。为纵坐标、以失效循环数为横坐标，根据疲劳破坏实验获得的不同应力水平下的疲劳寿命，由逐点描迹法或直线拟合法做出的。大多数情况下，S-N曲线的横、纵坐标采用的是对数坐标[9]
S-N曲线常用的数学表达式如下：
（1）幂函数式：
描述材料S-N曲线的最常用形式是幂函数式，即：
（2.1）
式中：m，C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。两边取对数，得：
该式表示应力S与寿命N间有对数线性关系，所以S-N曲线在双对数坐标上为直线。
（2）指数式：
指数形式的S-N曲线表达式为：
（2.3）
式中：m，s均为材料常数。对上式两边取对数并整理，得：
式中：a，b为材料常数，由此可见，指数函数的S-N经验公式在半对数坐标图上为一直线。
（3）三参数式
有时也希望在S-N曲线中考虑疲劳极限凡，写成：
（S一Sf）m N=C （2.5）
此式中多了一个参数，即疲劳极限今，且当S趋近于凡时，N趋于无穷大。
2燃油箱金属绑带建立及简化
2.1燃油箱总成几何模型建立过程
（1）燃油箱几何模型建立
根据车身边界条件和燃油箱设计要求，利用大型三维软件CATIA r5V19，建立燃油箱几何模型，如图3.1.1
图3.1.1燃油箱几何模型
燃油箱金属几何模型建立
根据车身边界和装车要求，利用大型三维软件CATIA r5V19，建立燃油箱金属绑带几何模型，如图3.1.2
图3.1.2燃油箱金属绑带几何模型
（3）燃油箱总成几何模型建立
在CATIA 中的Product模块中将燃油箱及绑带装配成燃油箱总成，如图3.2.3
3静力学分析
总成的静力学是研究疲劳耐久性的基础，所以首要工作是对其进行静力学仿真。本文采用HYPERMESH进行划分网格及前处理，并使用ABAQUS进行求解计算，具体边界条件、模型搭建和结果在下文中阐述。
3.1应力分析
模型描述
1．边界载荷的施加
本文是模拟塑料燃油箱在23°C条件下，受到钢带预紧力的作用，油箱自身重力、油泵弹簧的压力，油压，同时考虑6KPa的内压，所发生的变形情况。
2.钢带预紧力
设计要求钢带两端预紧为4mm，采用Quick Geometry Edit中的washer命令对钢带螺栓孔进行处理，衬垫采用点焊方式。
3.重力
只考虑油箱本身的重力作用，重力加速度g=9800mm/s2。
4.油泵弹簧压力
油泵与油箱上表面的连接是通过建立一维单元CONN3D2，单元上下两端的压力为64N。
5.汽油压力
根据油液底和液面的高度，按照如下公式计算出油箱内部液压最大值。
P=ρ*g*（Z1-Z0） （1）
其中汽油密度ρ为7.6E-10t/mm3。
6.油箱内压
根据工程要求，油箱内部静态压力为6KPa。
7.接触关系
本次模拟一共设置三种面对面的接触关系，油泵与油箱之间设为自由接触，是刚体面与可变形体的接触，减震垫与油箱之间设为surface behavior，钢带与油箱之间的存在相对滑动，擦系数为0.1
分析结果描述
图8为车载油箱应力分布云图。从图8、图9中可以看出，最大应力11.93MPa可以看出最大应力点位于固定绑带与车架相连接的倒角位置，这种突变应力出现在急剧变形处，可以通过改变造型工艺，以及设置适合的加强筋来改善这两处的强度避免这种应力的出现。由车载油箱应力分布云图可以看出，油箱的应力都在11.93MPa以下，根据表1 材料机械性能表可以看出该高分子塑料的屈服强度是22MPa，油箱应力小于屈服强度，所以满足设计要求。
图8 油箱总成应力分布云图
图9 最大应力所在位置局部图
3.2刚度分析
从图10可以看出，油箱的最大位移出现在油箱底部，位移为4.217mm，因为车辆在行驶过程中，油箱底部受到来自汽油的冲击载荷，所以产生的位移相对大些.
图10 油箱位移分布云图
3.3疲劳破坏与疲劳寿命分析
3.3.1疲劳破坏分析
因路面不平导致车载油箱在车辆行驶过程中受到交变应力作用，使得油箱疲劳应力较大的局部发生破坏。由图11可知，该车载油箱的局部疲劳破坏最大达到8.638e-8，在安全范围之内。
图11 疲劳破坏图
3.3.2疲劳寿命分析
计算带缺陷零件的剩余自然寿命一般采用断裂力学理论，通过建立裂纹扩展速率与断裂力学参量之间的关系来进行计算。断裂力学理论认为：零件的缺陷在循环载荷作用下会逐步扩大，当缺陷扩大到临界尺寸后将发生断裂破坏。这个过程被称为疲劳断裂过程。
疲劳断裂过程大致可分为四个阶段，即成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展及断裂。损伤零件疲劳寿命的估算主要应用帕利斯（paris）定理，通过帕利斯定理求得车载油箱的疲劳寿命为1.158e7，由于载荷力的输入频率为30hz，因此求得该车载油箱的疲劳寿命为22年，疲劳寿命云图如图12所示，对比绑带技术要求，完全满足汽车在生命周期的使用要求，故该结果符合实际工况对油箱的疲劳寿命的要求。
燃油箱绑带技术要求
图12 疲劳寿命云图
3.4小结
对燃油箱总成进行了静力学分析，并对燃油箱绑带进行疲劳破坏分析；同时通过帕里斯定理对其疲劳寿命进行了预测。
论文作者:徐磊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/29
标签：疲劳论文; 油箱论文; 应力论文; 燃油论文; 绑带论文; 寿命论文; 曲线论文; 《基层建设》2019年第16期论文;