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Automobile Parts 2023.06055Dynamic Performance Analysis of the Fuel Tank of a Certain Vehicle Model某车型油箱的动态性能分析收稿日期:2022-09-30基金项目:湖北汽车工业学院博士启动基金项目(BK201903)作者简介:李佳辉(1995),男,硕士研究生,研究方向为汽车热管理及轻量化。E-mail:。通信作者:毕崟(1987),男,博士,讲师,研究方向为汽车热管理。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.011某车型油箱的动态性能分析李佳辉,马浩然,梁珂,毕崟湖北汽车工业学院汽车工程学院,湖北十堰 442000摘要:燃油箱是汽车存储燃料的容器,位于汽车的底部,汽车在行驶过程中会对燃油箱产生一些振动的影响。本文主要研究燃油箱在工作过程中的动态特性。采用有限元分析的方法,并利用 HyperMesh 软件对燃油箱进行自由模态分析。分析表明:燃油箱不会与外界激励产生共振的现象,其振动对汽车的使用不会造成任何影响;对薄弱的地方进行改进优化,使油箱在满足要求的情况下同时实现轻量化设计,为后期燃油箱的设计开发提供参考。关键词:燃油箱;有限元方法;动态特性;共振现象中图分类号:U464.136+.5Dynamic Performance Analysis of the Fuel Tank of a Certain Vehicle ModelLI Jiahui,MA Haoran,LIANG Ke,BI YinCollege of Automotive Engineering,Hubei Institute of Automotive Technology,Shiyan Hubei 442000,ChinaAbstract:The fuel tank is a vehicle fuel storage device located at the bottom of the car.The car can produce some vibration effects on the fuel tank while driving.The dynamic characteristics of fuel tank in the working process were mainly studied.The free mode analysis of fuel tank was carried out by using the finite element analysis method and HyperMesh software.The analysis shows that the fuel tank does not reso-nate with external incentives,and its vibration does not have any impact on the use of the car.The weak points are improved and optimized,and the fuel tank can achieve lightweight design while meeting the requirements.It provides reference for the design and development of the fuel tank in the later stage.Keywords:fuel tank;finite element method;dynamic characteristics;resonance phenomenon0 引言燃油箱是汽车储存燃油的地方,它的安全系数在汽车整体中也是最为关键因素之一。当汽车燃油箱开始工作时难免会对汽车产生振动的影响,燃油箱能否正常使用关乎汽车的动力来源。如果燃油箱结构设计不合理,振动会使燃油箱产生变形,就会造成燃油箱某些部位发生疲劳破坏,严重会发生断裂,导致燃油泄漏,产生安全隐患。所以我国对燃油箱的振动制定了严格的标准,燃油箱必须要经过中国质量认证中心的检测和振动试验,过程严谨科学,确保燃油箱的安全可靠性1-2。本文通过 Ansa 软件对燃油箱进行前期处理,利用HyperMesh 软件对燃油箱进行动态特性分析,讨论了燃油箱的设计能否满足要求,同时对其进行优化改进提高质量,也为后期的燃油箱设计提供理论指导。1 燃油箱有限元模型的建立1.1 油箱的建模油箱的形状在现实的应用中越来越复杂多样化。一般来说,商用车的油箱比较规则,呈矩形或者圆罐形。然而轿车的油箱设计是异型的,这跟它的布置空间有关。根据某款轿车的燃油箱利用 Pro/E 建立三维实体模型。燃油箱整体造型比较复杂,凹凸面多,存在翻边且分上、下箱。油箱的三维模型如图 1 所示3。图 1 油箱的三维模型2023.06 Automobile Parts056研究与开发Research&Development1.2 燃油箱网格的划分将整个燃油箱导入到 Ansa 软件中。在燃油箱划分网格前需要先进行几何清理4,几何清理之后可以进入下一步网格的划分工作。由于整个燃油箱比较复杂,整体统一划分网格细节兼顾困难,网格处理吃力。所以需把燃油箱分成上箱和下箱两大块划分网格,燃油箱的单元尺寸设置为 5 mm。先划分上箱的网格,燃油箱模型复杂无法抽取中面,只能在外表面铺设二维网格。网格参数设置如图 2 所示。图 2 网格参数设置整个燃油箱的单元总数为 63 183 个,总节点数为63 449 个。整个燃油箱的三角形比例为 0.98%。符合比例三角形小于 5%的要求。比例小,证明网格的质量高,为后期的燃油箱模态分析打下良好的基础。燃油箱的有限元模型如图 3 所示。图 3 燃油箱的有限元模型2 燃油箱的模态分析2.1 油箱的连接由于燃油箱模型分上箱和下箱,在分析前必须要对上箱和下箱进行连接,这样分析出来的结果更加准确接近真实的情况。因为燃油箱是储存燃料的,必须保证其密封性。在 HyperMesh 软件中,为了更加真实模拟燃油箱焊接的效果,不能用点焊,而是用 1D 中的 Spotweld(点缝焊)进行连接,将上箱和下箱连接形成一个整体5。燃油箱的连接模型如图 4 所示。图 4 燃油箱的连接模型2.2 设置燃油箱材料属性和厚度经过查阅资料并结合实际,燃油箱选用模具钢DC56 冲压焊接形成,其材料性能见表 1。燃油箱的上箱和下箱的厚度为 0.9 mm6-7,其厚度示意如图 5 所示,完成后需要将其建立的属性和厚度赋予到燃油箱上。表 1 燃油箱的材料性能材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa弹性模量/MPa密度/(kg m-3)泊松比DC562501702.101057.8310-60.3图 5 燃油箱的厚度示意Automobile Parts 2023.060572.3 燃油箱的模态分析采用 HyperMesh 软件对燃油箱前 15 阶的自由模态进行分析,并在 HyperView 查看分析的结果。一般来说,物体的自由模态前 6 阶的固有频率几乎为零,这是因为刚体本身是不能振动的,所以前 6 阶模态都接近零,也被称为刚体模态8。设置求解阶数为 15阶,后面的第 715 阶则是本文燃油箱模态分析的重点,有助得到燃油箱的固有频率及振型。图 6 为模型燃油箱的模态振型,表 2 为 115 阶模态振型。图 6 模型燃油箱的模态振型Dynamic Performance Analysis of the Fuel Tank of a Certain Vehicle Model某车型油箱的动态性能分析2023.06 Automobile Parts058研究与开发Research&Development表 2 115 阶模态振型阶数固有频率/Hz模态振型16 阶0刚体模态7 阶75.6上箱单峰起伏振动;下箱振动小8 阶106.7上箱单峰起伏振动;下箱小头处单峰起伏振动9 阶122.5上箱腹部两个幅度大单峰振动;下箱振动较小10 阶128.8上箱轻微振动;下箱腹部出现较大的单峰振动11 阶149.1上、下箱小头处振动幅度较大,其余地方较小12 阶156.1上、下箱小头处振动幅度较大,其余地方较小13 阶157.6上箱整体振动较小;下箱三峰起伏振动14 阶164.4上箱边缘高幅的单峰振动;下箱振动起伏平缓15 阶183.9上箱边缘高幅的单峰振动;下箱振动起伏平缓 由表 2 可知,第 16 阶燃油箱属于刚体模态,第 7阶以后燃油箱的各阶固有频率逐渐增加,其中振型振幅较大在燃油箱上箱中间腹部和下箱腹部的位置。3 结论(1)本文针对某车型的燃油箱的结构是否会与外界激励产生共振的现象为研究点,建立三维模型,并利用HyperMesh 软件对燃油箱进行动态特性的分析。获得了燃油箱前15 阶的模态振型,为后期燃油箱的设计、优化产品结构提供理论支持和方法。(2)仿真分析结果表明:燃油箱壳体的各阶固有频率比较高。经查阅相关资料9表明,在实际工作中不容易激起燃油箱壳体的共振,所以燃油箱是符合设计要求的。但还有改进的空间,可以通过加强模态振型振幅较大其薄弱环节之处即燃油箱上箱中间腹部和下箱腹部的刚度,进而提高燃油箱的整体刚度,保证燃油箱设计更加的合理和可靠。参考文献:1 唐鑫.某款福特 SUV 汽车后碰撞耐撞性及燃油系统安全性研究D.兰州:兰州交通大学,2020.2 王荣祥.我国城市客运大客车燃油箱结构强度研究J.汽车工程,2009,32(5):14-16.3 张鹏飞.某货车燃油箱的结构改进及有限元分析D.南昌:华东交通大学,2017.4 庄明磊.装载机柴油箱有限元分析及设计优化D.青岛:青岛大学,2017.5 李楚琳,张胜兰,冯樱.HyperWorks 分析应用实例M.北京:机械工业出版社,2008:75-76.6 尹辉俊,刘赟,汪洋,等.某金属燃油箱的模态分析及其隔板结构的改进J.机械设计,2017,34(11):94-97.YIN H J,LIU Y,WANG Y,et al.Modal analysis of a metal fuel tank and structure improvement of the baffle J.Journal of machine design,2017,34(11):94-97.7 赵师平,张宁.轻型客车燃油箱结构刚度与模态的有限元分析J.机械科学与技术,2002,29(1):86-88.8 张奕.汽车燃油箱的动静态强度分析D.柳州:广西科技大学,2013.9 余志生.汽车理论M.5 版.北京:机械工业出版社,2009:21-23.