基于有限元的汽车燃油箱结构设计及分析论文_王栋明

摘要：现代轿车设计趋于轻量化，燃油箱外形往往设计复杂，传统燃油箱开发按照设计—试制—验证—优化—再试制—再验证的设计流程，一个新油箱从设计到批量生产，需要花费大量的时间在设计以及样件修改中。随着我国汽车工业的发展，企业对新车型研发速度要求不断提升，传统的燃油箱开发模式设计周期长、成本高，很难满足对汽车油箱开发、更新的快速响应的要求。基于此，本文主要对基于有限元的汽车燃油箱结构设计进行分析探讨。

关键词：基于有限元；汽车燃油箱；结构设计；分析

1、前言

汽车燃油箱是汽车上重要功能零件之一，为发动机提供燃烧所需的燃料。目前汽车燃油箱主要有金属油箱和塑料油箱。与金属油箱相比，塑料油箱具有重量轻、耐腐蚀、造型随意、寿命长和安全性能高等优势。同时塑料油箱也存在机械强度弱于金属油箱的劣势。因此在研发一款塑料油箱时，必须考虑油箱内压对塑料油箱产生的形变。

2、产品结构分析

油箱上一般安装有燃油泵、阀、加油口和通气管等，通常将泵口、管路凹槽和阀的凸台等结构设计在上表面，如果没有钢带或者加强筋结构，则下表面基本上是平面结构，因此在油箱内为正压的情况下，一般上表面的变形会小于下表面；而在负压的情况下，由于存在油的重量和油泵给下表面的压力，上下表面变形情况则较难判断。文中采用仿真分析手段来预测油箱可能产生的变形，设计了3种油箱下表面方案，如图1所示。平面结构即油箱下表面不做任何设置；加筋结构即油箱的下表面增加3个加强筋；加钢带结构即在油箱下表面中间部分增加1个钢带，钢带与油箱采用螺栓连接，固定位置在油箱筋板上。

图 1 油箱底面设计方案

3、有限元模型建立

模拟所用的材料分别是油箱材料HDPE和钢带材料DC01，其属性见表1。模拟过程考虑重力影响，仿照油箱正负压实验将油箱筋板固定，设置油泵对油箱产生的弹簧力，油箱内部的油压和油蒸汽产生的气压，分别模拟相对压力为10kPa和真空度为2kPa时油箱变形量分布情况；忽略油泵安装孔和加油口等对仿真影响不大的结构，不考虑因油液分子扩散引起的油箱老化现象。

表1 材料参数

油箱和钢带的有限元网格均在Hypermesh前处理软件中完成，均采用四面体网格，有限元模型建立后将模型导出到Abaqus软件中进行求解分析，最终得出分析结果。

4、模拟结果与分析

1）相对压力为10kPa时油箱壁面位移分布

从图2模拟结果可以看出：油箱上表面中，最大变形区域在图片上端的油箱管槽区域，而在图片下端的泵口区域变形相对较小；油箱下表面中，最大变形区域在图片下端，而在图片上端部分，油箱与隔热板配合的区域变形较小。3种方案下，油箱的最大变形区域均在下表面，且都在图片下端，原因是下表面比上表面更加平坦，且存在油压，因此受力后易于变形；由于油箱上表面结构相同的，上表面的变形分布趋势是一致。由此可以发现：相同正压状态下，油箱下表面是平面结构时，产生的变形量最大，油箱下表面加钢带时产生的变形量最小；采用加强筋时，油箱下表面的最大变形量比平面结构时小，但是两者的变形趋势是一致的。因此加筋和加钢带对改善油箱下表面变形量都有作用，而加钢带的作用比加筋的作用要大。

图 2 相对压力为 10 kPa时油箱壁面位移分布云图

2）真空度为2kPa时油箱壁面位移分布

从图3中可以发现：相同负压状态下，油箱的最大变形量在油箱的上表面，3种方案最大变形量基本相同是因为上表面结构是一致的；在下表面中，变形最小的是采用加筋结构的方案，其次是采用钢带的结构，最差的是平面结构。油箱上下表面最大位移对比如表2所示，比较3个方案在不同压力下的最大变形量，可以发现加钢带结构是最佳方案。

图 3 真空度为2 kPa时油箱壁面位移分布云图

表2 油箱上下表面最大位移 mm

3）各因素对油箱上下壁面位移分布的影响

在油箱进行正负压试验时，对油箱评价的标准是其上下表面的位移是否在设计允许的范围内，影响油箱上下表面位移的因素有油泵的弹簧力，油液的油压和油蒸汽的气压。在进行油箱正负压模拟时均考虑了这3种因素。根据表2的分析结果可知：在相对压力存在的情况下，平面结构的下表面是位移最大的，而加钢带结构的的油箱下表面位移是最小的，因此在进行3种影响因素分析时，采用平面结构分别单独模拟3种因素的影响时，可以得到其对油箱表面影响的最大值，同理，采用加钢带结构则可以得到其对油箱影响的最小值。当油泵安装在油箱上后，油泵中的弹簧处于压缩状态，模拟时油泵底面与油箱下表面接触，油泵上表面连接弹簧的一端，弹簧另一端与油箱相连，在不考虑油压和燃油蒸气压的情况下，通过平面结构可知，油泵弹簧力对油箱上下壁面的影响的最大值为0.575mm。对油箱壁面位移影响最大的是油液蒸气压，油压和弹簧力对油箱壁面的影响都比较小。

5、结论

通过对油箱的结构设计进行仿真分析，根据仿真结果可以得出：1）油箱下表面加筋和加钢带可以有效减小其在受正压时的变形量；2）3种油箱结构中，加钢带方案的最大变形量是最小的；3）油箱应在保证容积的情况下，尽量减少大平面结构；4）油液蒸气压对油箱壁面位移的影响最大，油压和弹簧力对其影响较小。

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论文作者:王栋明

论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期

论文发表时间:2020/3/16

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