方治华，徐波，贾宏玉



燃油箱系统等效应力分析及改进*

方治华，徐波，贾宏玉

（内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010）

为了研究矿用自卸车燃油箱系统支架与车架纵梁之间的角焊缝出现开裂的原因，建立有限元模型，考虑路面不平度的影响，通过有限元分析软件Adina对不同充液高度条件下的两种燃油箱壁厚进行流固耦合数值计算。计算结果表明在不同充液高度条件下降低燃油箱壁厚时，车架纵梁上的最大等效应力出现不同程度的降低。

流固耦合；Adina；充液高度；燃油箱壁厚；路面不平度

前言

燃油箱内的油液晃动是一个典型的流固耦合问题，油液在晃动过程中会对燃油箱系统产生压力载荷，进而引起燃油箱厚壁的变形或运动，同时厚壁的变形或运动又会反过来作用影响流场的变化，进而改变油液载荷的分布和大小[1]。从使用安全的角度来看，有必要对不平度影响下的燃油箱系统最大等效应力进行分析。孙利民等[2]使用ANSYS软件对轻型油罐罐体进行了流固耦合分析。张海华[3]使用流固耦合的方法对直升机油箱进行抗坠毁性能分析。韦杰创[4]研究了航空弹性薄壁油箱的疲劳寿命问题。

1 有限元模型建立

建立矿用自卸车燃油箱系统有限元模型，如图1所示。燃油箱­­­­系统材料为Q 345钢，燃油箱系统­­­­壁厚为10 mm，材料是线弹性的、均匀和各向同性的，弹性模量为2.1×1011Pa，密度为7800kg/m3，泊松比为0.3，重力加速度为9.8m/s2，燃油箱直径为2m，长度为1m；箱内液体为燃油，密度为850 kg/m3。考虑到燃油箱系统壁厚比较薄，故选用shell单元，燃油选用3D-fluid单元。限制左边车架纵梁的四条边，并且考虑液体表面重力波的影响，将液体表面流体势设置为free surface。

考虑到矿用自卸车的行驶路况，在此选择C级路面进行模拟，如图2所示为利用Matlab软件绘制的矿用自卸车以车速60km/h直线行驶工况下生成1分钟的C级路面不平度曲线。由于矿用自卸车的轮胎，悬挂及减震系统的缓冲作用，作用在矿用自卸车的载荷谱和路面谱会有所不同。由位移曲线得到加速度曲线，综合各方资料并将其缩小为0.8倍，以此作为分析整个系统的激励来源。

图1 燃油箱系统有限元模型图

图2 C级路面不平度曲线

2 燃油箱壁厚为10 mm时车架纵梁等效应力分析

得到燃油箱壁厚为10 mm时不同充液高度条件下的等效应力云图如图3所示。

由图3可以看到最大等效应力在车架纵梁的左上部分和右上部分，在左上顶部和右上顶部为次级大值区域，并且向周围逐渐减小；车架纵梁左下部分和右下部分为下半部分的最大值；等效应力呈左右对称分布。车架纵梁最大等效应力在燃油箱壁厚为10 mm，充液高度分别为0.2 m,0.6 m,1.0 m,1.4 m,1.8 m时分别为49.32 MPa，71.30 MPa，98.23 MPa，126.3 MPa，151.1 MPa。

3 燃油箱壁厚为8 mm时车架纵梁等效应力分析

得到燃油箱壁厚为8 mm时不同充液高度条件下的等效应力云图如图4所示。

图4 燃油箱壁厚为8 mm时车架纵梁等效应力

由图4可见车架纵梁最大等效应力在燃油箱壁厚为8 mm，充液高度分别为0.2 m，0.6 m，1.0 m，1.4 m，1.8 m时分别为41.09 MPa，63.13 MPa，90.08 MPa，118.8 MPa，141.6 MPa。

4 燃油箱壁厚为10 mm和8 mm时车架纵梁最大等效应力对比

燃油箱壁厚为10 mm和8 mm时车架纵梁最大等效应力对比如表1所示。

表1 燃油箱壁厚为10 mm和8 mm时车架纵梁最大等效应力对比

由表1的数据可以看出，在路面不平度影响下车架纵梁最大等效应力在不同充液高度条件下燃油箱壁厚为8 mm时较10 mm时有一定程度的降低，最大幅度为16.69%，说明燃油箱壁厚为8 mm时具有更高的安全性。

5 结论

本文建立有限元模型，考虑路面不平度的影响，通过有限元软件Adina对不同充液高度条件下的两种燃油箱壁厚进行流固耦合数值计算，得到以下结论。

（1）在不同充液高度条件下降低燃油箱壁厚时，车架纵梁上的最大等效应力出现不同程度的降低。

（2）燃油箱壁厚为8 mm车架纵梁最大等效应力较10 mm有一定程度的降低，最大幅度为 16.69%，说明燃油箱壁厚为8 mm具有更高的安全性。

[1] 朱代义.基于流固耦合的矿用自卸车燃油箱动态特性分析[D].长沙:湖南大学,2009.

[2] 孙利民,张庆华,赵勇.卧式圆形储油罐液固耦合模态分析[J].郑州大学学报(工学版), 2005,26(2):32-35.

[3] 张海华.基于流固耦合的直升机油箱抗坠毁性能分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

[4] 韦杰创.航空弹性薄壁油箱的流固耦合分析与疲劳寿命预测[D].威海:山东大学,2018.

Equivalent Stress Analysis and Improvement of Fuel Tank System*

Fang Zhihua, Xu Bo, Jia Hongyu

( School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Inner Mongolia Baotou 014010 )

In order to study the causes of cracking in fillet weld between the support and the longitudinal beam of the frame of the fuel tank system of a mining dump truck, a finite element model was established. Considering the influence of road roughness, the wall thickness of two fuel tanks under different filling heights was calculated by the finite element analysis software Adina. The results show that the maximum equivalent stress on the longitudinal beam of the frame decreases in varying degrees when the wall thickness of the fuel tank is reduced at different filling heights.

Flui Solid Coupling;Adina;Liquid Filling Height;Fuel Tank Wall Thickness;Road Roughness

U467

A

1671-7988(2019)09-113-03

U467

A

1671-7988(2019)09-113-03

方治华（1962-），男，硕士，教授，从事动力学和振动及其工程应用研究工作。

内蒙古自治区自然科学基金（2018LH01006）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.037