基于CAE技術解決某車型燃油箱防浪板斷裂問題

張允峰 張偉松 蔣發軍 唐基榮

摘要：某車型在開發階段燃油箱晃動耐久臺架試驗過程中，油箱內部防浪板發生斷裂。本文基于晃動耐久臺架試驗結果、線性疲勞損傷理論與nCode技術，利用簡化后的力學模型進行分析，找到問題原因。經結構優化、CAE校核通過后，實物順利通過晃動耐久試驗，從而解決油箱防浪板斷裂問題，為問題的解決提升了效率。

Abstract： The baffler of fuel tank was broken when doing fuel tank slosh durability test in the development in one vehicle program。This text was based on result of the fuel tank slosh durability test ， linear fatigue damage theory and nCode Technology， using the simplified mechanical model to find out the cause of problem. After structure optimization and CAE checking，the baffler sample passed the fuel tank slosh durability test . The? problem of broken baffler was solved ，and the experience enhance the efficiency of problem solving.

關鍵詞： 燃油箱;防浪板;斷裂;晃動耐久

中圖分類號：U464.136.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0045-02

0? 引言

隨著客戶的追求不斷提高、整車NVH性能不斷提升，燃油箱內燃油晃動異響現象逐漸得到重視。金屬油箱設計上往往要在油箱內部增加防浪板來減小、甚至消除油箱晃動異響。而由于防浪板在油箱內不斷的受到液體前后沖擊，其可靠性就成為主機廠必須關注的風險點。因整車路試與客戶實際使用過程中剎車頻率與次數差距較大，往往用臺架晃動耐久來對防浪板可靠性進行驗證。

某車型按照GMW14801對油箱進行晃動耐久測試時油箱內防浪板發生斷裂。本文根據線性疲勞損傷累積理論，利用nCode軟件等分析手段，結合臺架試驗結果，反向求出油箱晃動耐久時防浪板受力情況，探尋失效原因。后優化結構設計，并再次通過上述分析手段、臺架驗證，順利解決了防浪板斷裂問題。

1? 防浪板結構特點與試驗條件

某車型燃油箱防浪板：防浪板由薄鋼板沖壓成型，材料為寶鋼的BUSD，厚度0.7mm，通過三個焊腳點焊在油箱上殼體，整體為C型結構，防浪板上開了若干通孔，總高度138mm。該油箱額定容積為50L，其75%額定容積液面高度為162.2mm，防浪板約有一半（63.4mm）位于液面以下。該燃油箱根據GMW14801試驗要求，在75%額定容積液體下進行1.25Hz、位移±7.6 cm晃動耐久測試，在做到319285次后，防浪板發生斷裂。首先開裂點位于左側第一個焊腳外側（見圖1）。

2? 有限元仿真

2.1 網格劃分

為了提高分析效率，根據實際結構建立簡化分析模型。分析關注的點在油箱防浪板，可以將油箱上殼體截取與防浪板焊接區域，與防浪板伸出翻邊結構采用點焊連接。網格劃分及材料（前處理采用Hypermesh，求解器采用Optistruct）薄壁零件采用四邊形網格與三角形網格組成的混合網格（四邊形網格為主），網格大小5mm，采用直徑6mm點焊。防浪板材料及其固有力學性能參數見表1。

2.2 受力分析

由于燃油箱晃動耐久試驗時防浪板受到的是液體慣性在防浪板各個點上產生的阻力，該阻力隨著液體深度、晃動位移不斷變化，其CAE分析難度較大。故我們采用線性疲勞損傷累積理論、結合臺架晃動試驗結果，使用nCode軟件進行反向求解出防浪板在該晃動耐久試驗條件下所受到的等效壓強載荷。其計算流程如圖3所示。

根據線性疲勞損傷累積理論，在多個載荷Si作用下，各經受ni次循環則可定義其總損傷為：

式中：Ni為對應于載荷Si的疲勞壽命。當循環載荷的次數n等于其疲勞壽命N時，就會發生疲勞破壞、斷裂，即D=1。首先使用Optistruct，假定一個等效壓強P，分析防浪板的應力情況。并將等效強度分析模型，跟實際晃動耐久次數一起輸入nCode軟件，模擬計算零件損傷：當作用在防浪板上的等效壓強為1.835KPa時損傷結果為1，防浪板發生破壞。（圖4）

當在75%油液面與防浪板接觸面上施加X向壓強1.835KPa時，最大米塞斯應力點與開裂點吻合，為155.4Mpa，應力值偏高?？梢耘袛?，該防浪板整體強度不足，且焊腳支撐力不夠造成應力集中，在晃動耐久過程中產生疲勞開裂。（圖5）

3? 結構優化

根據分析結果，需要進行結構優化，提升焊腳強度來降低最大米塞斯應力：①加寬防浪板的三個焊腳寬度;②去掉第一個焊腳上的定位缺口;③焊腳處添加加強筋。使用Optistruct，在防浪板與油液接觸面上加載等效壓強1.835KPa，最大應力出現在左側第一個焊接連接處，為62.6MPa，較優化前降低59.7%。（圖6）

后將應力結果輸入nCode軟件，按試驗工況輸入50萬次疲勞測試計算，結果顯示零件沒有損傷。（圖7）

4? 驗證總結

后經晃動耐久測試，75%額定容積下50萬次晃動后防浪板未出現斷裂，結構優化后的防浪板強度滿足需求。因此，采用簡化后的力學模型，在線性疲勞損傷累積理論與nCode軟件幫助下，可以用于分析燃油箱防浪板斷裂原因，并指導燃油箱防浪板的設計和結構優化，從而加快了問題原因分析，提升了產品設計質量。

參考文獻：

[1]張霽，等.LMS Virtual.Lab Durability理論基礎與實例教程[M].北京：國防工業出版社，2015.

[2]張允峰，等.汽車燃油箱燃油晃動異響成因及防浪板方案研究[J].企業科技與發展，2020（2）.

[3]尹輝俊，等.某金屬燃油箱的模態分析及其隔板結構的改進[J].機械設計，2017（11）.