某型號銑刨機燃油箱的開裂原因及改進措施

摘要：針對用戶反饋的某型號銑刨機燃油箱開裂滲油問題，通過對燃油箱進行局部剖切發現其開裂部位，分析了燃油箱鋼板疲勞斷裂原因，通過對燃油箱進行有限元分析確定了燃油箱疲勞斷裂的原因，據此提出并實施了改進措施，改進后燃油箱的變形和等效應力均大幅度下降，經過后續產品試裝未發生燃油箱開裂問題，改進措施取得了預期效果。

關鍵詞：銑刨機；燃油箱開裂；有限元分析；疲勞斷裂；等效應力

0" "引言

燃油箱是銑刨機燃油供給系統的關鍵部件[1]，其安全性和可靠性直接影響整機性能。根據市場反饋，某型銑刨機的燃油箱出現了多起漏油現象。經過現場服務人員檢查后發現，漏油的原因大都是燃油箱連接板焊縫外側板開裂。為此，本文對該型燃油箱開裂問題展開研究，結合有限元分析結果及設計經驗，提出改進措施，提高該型燃油箱結構強度，保證其可靠性滿足該型銑刨機產品的配置需要。

1" "燃油箱結構

考慮到燃油箱的可靠性、耐高溫性能和制造成本，選用材質為Q355B、厚度為4mm的鋼板通過拼焊進行制造，所有焊縫采用ER50-6焊絲和CO2混合氣體保護焊方法進行焊接。中間隔板將燃油箱上下空間分割成兩個聯通的腔體。某型號銑刨機燃油箱結構如圖1所示。

2" "燃油箱開裂部位及原因分析

2.1" "燃油箱開裂部位

現場反饋該型號銑刨機使用400h后，燃油箱上部折彎板與隔板連接拐角處出現滲油現象。將燃油箱進行了局部剖切，以便發現其開裂部位，剖切后發現燃油箱焊縫并未開裂，其裂紋由油箱內壁開裂向外壁擴展，開裂部位位于拐角焊根處，該裂縫有明顯的疲勞弧線，且存在瞬間斷裂區[2]，這說明燃油箱漏油不是由焊縫失效引起，而是由焊縫臨近鋼板疲勞斷裂引起。

2.2" "分析燃油箱鋼板疲勞斷裂原因

相關文獻指出，焊縫失效通常分為焊核開裂和板邊開裂兩種模式[3]。分析認為，該裂縫明顯屬于沿板厚度穿透型斷裂的板邊開裂，疲勞裂縫出現在臨近焊縫處。由此可知該焊接接頭失效并不是焊核開裂或焊道強度不夠，而是結構設計、焊道設計有缺陷。

進一步觀察發現，隔板內部無焊道，這與設計圖紙不符，懷疑該處焊道缺失導致了燃油箱內部受壓、外板脹開，焊接接頭受到過大的集中力和彎矩作用形成應力集中，而基材（鋼板）的強度弱于焊道強度，導致了基材撕裂。

3" "燃油箱有限元分析

3.1" "模型簡化和網格劃分

燃油箱開裂位置為焊根處，因此對非重點區域模型進行簡化。為了盡量詳細捕捉燃油箱結構應力分布情況，對關鍵焊道進行了實體建模，并采用Hyper Mesh有限元分析和仿真軟件進行六面體實體網格劃分[4]。整體網格尺寸控制在10mm，對開裂區域進行網格細化，生成的網格單元數為186408個。

3.2" "邊界條件

燃油箱各零件之間按照實際情況設置接觸，尤其關注開裂處鋼板與焊道之間的相互作用，焊道與折彎板綁定、折彎板與折彎板之間設置為摩擦，轉軸處僅釋放繞轉軸轉動的自由度，側板兩個螺孔位置固定所有自由度[5]。

銑刨機工況較為惡劣，燃油箱在工作過程中會受到其內部柴油的較大的沖擊。燃油箱滿載容積為141L，燃油箱側板承受著重力加速度的影響，該重力加速度對側板的沖擊力可達到9400N。

3.3" "分析結果

通過ABAQUS工程模擬有限元軟件對燃油箱進行靜力學分析，其最大變形位于燃油箱側板位置，最大變形量為5.70mm；其最大應力位于隔板與外側板拐角處，最大等效應力為5.61MPa。原結構燃油箱變形及等效應力如圖2所示。

分析認為，燃油箱在內部燃油沖擊壓力的作用下，變形量過大，承受的等效應力過大，其最大應力位置與燃油箱開裂位置相同，開裂原因可判斷為燃油箱內部沖擊造成其側板拐角處應力集中，導致燃油箱側板拐角處焊縫臨近鋼板疲勞斷裂。

4" "燃油箱的結構改進

4.1" "改進措施

針對燃油箱側板拐角處焊縫臨近的鋼板疲勞斷裂問題，采取以下改進措施：一是按照燃油箱圖紙要求將其內部隔板與外部鋼板之間的接觸區域實施焊接；二是適當延長隔板，避免隔板與側板拐角處出現應力集中；三是在燃油箱內部增加上、下貫通的筋板，隔板與筋板、側板焊接。燃油箱原結構與改進后的結構對比如圖3所示。

4.2" "改進效果

實施上述改進措施后，按照前述方法采用Hyper Mesh有限元分析和仿真軟件對燃油箱進行網格劃分，生成的網格單元數為305160個，對改進后的燃油箱模型施加相同的載荷、約束，進行靜力學分析。改進后的燃油箱變形和等效應力如圖4所示。

由圖4a可知，改進后燃油箱的最大變形位置在燃油箱外側板靠下位置，最大變形量為4.16mm，與原結構相比減小了27.02%；由圖4b可知，改進后燃油箱對應原結構等效應力最大值位置（即燃油箱上部折彎板與隔板連接拐角處）的應力為2.98MPa，與原結構相比減小了46.88%。

5" "結束語

本文對燃油箱開裂問題進行了有限元分析，明確了燃油箱開裂的原因，根據仿真結果并結合工程實際進行了結構改進。對改進后的燃油箱進行了有限元分析，分析結果表明，改進后的燃油箱最大變形量減小了27.02%，原結構薄弱位置的等效應力下降了46.88%。經過后續產品試裝跟蹤800h，未發生燃油箱開裂問題，證明改進取得成功。

參考文獻

[1] 羅靜靜，常向陽，郭廣偉.大功率輪式拖拉機燃油箱的設計[J].農業機械，2016（6）：101-102.

[2] 兆文忠，李向偉，董平沙.焊接結構抗疲勞設計理論與方法[M].機械工業出版社，2017.

[3] 朱長壽，韋麗麗，農棉庚，等.某型裝載機燃油箱開裂分析及改進[J].裝備制造技術，2022（8）：145-155

[4] 孫清雨，吳秀杰，韓璐，等.某電瓶箱箱體開裂問題有限元分析與解決方案[C].重慶汽車工程學會2022年論文匯編：7-10.

[5] 程張.基于Abaqus和Fe-safe平臺的正交異性鋼橋面板疲勞壽命分析[D].西安：長安大學，2021.