车下燃油箱强度分析及结构优化

车下燃油箱强度分析及结构优化

王宗伟

青岛中车四方轨道车辆有限公司  山东青岛 266000

摘要：车下燃油箱是内燃动车组动力系统的重要部件，直接影响车辆的运行安全。本文以某内燃动车组项目为依托，进行车下燃油箱的结构设计。采用有限元法对燃油箱结构强度进行分析。根据分析结果对燃油箱结构进行优化，使油箱结构强度满足标准要求，为后续试验和装车提供了参考依据。

关键词：燃油箱；有限元法；强度分析；结构优化

Strength Analysis and Structure Optimization of Fuel Tank

Wang Zong Wei

Passenger Coach Business Unit

Abstract:The fuel tank under the vehicle is an important part of the diesel multiple unit, which directly affects the safety of the vehicle. In this paper, the structural design of the fuel tank under the vehicle is carried out on the basis of a diesel multiple unit project. The structural strength of fuel tank is analyzed by finite element method. According to the analysis results, the structure of fuel tank is optimized to meet the requirements of the standard, which provides a reference for the follow-up test and loading.

Key words: Fuel tank; Finite element method; Strength analysis;Structure optimization

车下燃油箱作为内燃动车组存储燃料的主要容器，在车辆运行过程中承受车体传递的振动和冲击。鉴于燃油箱附近的动力包温度较高，在箱体或焊缝破坏时，泄露的燃油有引发火灾和爆燃的风险[1,2]。因此，合理设计燃油箱结构和校核燃油箱的强度对保障车辆的安全运行有重大意义[3]。

1 油箱结构设计

燃油箱主体结构为箱体承载、边梁吊挂结构，箱体内部由防波板分为多个相互连通的隔仓。车下燃油箱的主要功能是储存燃油，为柴油发电机组提供燃料，并回收储存发电机组的冗余燃油[4]。根据动力系统要求，需要在油箱上增加供油口和回油口。供油口接口位于油箱顶部，供油管向下延伸至油箱底部。回油口位于油箱顶部，回油管深入箱体内部。供、回油口需分处不同腔。油箱两侧设置注油口，方便从车辆两侧加油。为加油操作的便捷性，注油口设置在箱体顶部，按一定角度向外倾斜。此外，箱体表面附有清洗口、油位仪等附属结构，以满足油箱使用和维护的各种需求。

动力包结构紧凑，精密度高，对油箱供给动力包的燃油纯度要求也相对较高[5]。因此油箱的防锈尤为重要，不能使燃油内含有过多铁锈等杂质。鉴于上述原因，采用抗腐蚀能力较强的不锈钢材料生产油箱箱体的主体结构。

图1  燃油箱整体结构图

不锈钢箱体采用钣金件焊接方法制造。为了降低焊缝渗漏风险，采用钣金件搭接焊缝代替箱体结构周边常见的板材对接焊缝[6]。同时，箱体端部翻边搭接结构可以将焊缝设置在箱体尖角处内侧，避免箱体尖角处应力集中对焊缝强度的影响，降低油箱焊缝渗漏风险。

由于不锈钢板材厚度较低，刚度较小。燃油箱箱体在吊挂点之间会发生更显著的挠曲变形。为降低挠曲变形对箱体结构的影响，在箱体内部、吊座背面增加槽形加强梁，并使横向整体式防波板正对吊座中心。

图2 箱体内部结构图

2 油箱强度校核

为了保证车下燃油箱结构的可靠性，确保行车安全，需对车下燃油箱的保压性能、静强度、疲劳强度进行有限元仿真计算，以验证车下燃油箱强度满足标准的需求。

2.1 有限元模型

根据油箱组成的实际结构和尺寸建立几何模型，去除部分对结构强度没有影响

的电器件和孔洞等，保留主要的承载结构。采用 Hypermesh 软件对油箱的几何模型进行离散。因为油箱结构属于弹性薄壳结构，所以分析中采用壳单元进行网格划分，并根据实际板厚为壳单元赋予厚度属性。各零部件之间采用共节点方式模拟T型对接焊缝连接，搭接焊缝处采用加厚壳体的方式进行模拟。单元尺寸10mm。螺栓连接采用刚性单元模拟，共划分 30.8 万个单元，30.4 万个节点，油箱有限元模型如图3和图4所示。

图3 燃油箱有限元模型

图4 燃油箱有限元模型内部

2.2 工况设置

依据 Q/CR 580、EN12663 标准要求和 IEC61373 中 1 类 A 级冲击标准要求，制定如下计算载荷和工况。

2.2.1 保压工况

按照 Q/CR 580 燃油箱箱体保压 30KPa。主要计算30KPa压力时箱体的各处变形和应力是否超出允许的范围。由于该工况属于极限工况，在常规运行中极少发生，仅要求该工况下等效米塞斯应力最大值不大于相应材料的屈服极限。

2.2.2 静强度及疲劳强度工况

参照 EN 12663《铁路应用 铁路车辆车身的结构要求第1部分 机车和客运车辆（货运车辆交替法）》标准要求，分别计算纵向加速度、横向加速度和垂向加速度的组合工况。具体工况如表1和表2所示[7]。其中，g为重力加速度。内部燃油按100%油量分别计算。

表1 静强度工况

表2 疲劳强度工况

根据各工况下加速度组合情况以及液体压力公式，将加速度载荷转化为液体对箱体内表面和防波板表面的压力。

2.3 计算结果

箱体采用SUS301-HT材料，屈服强度为690MPa，疲劳强度为190MPa。

计算表明，油箱保压工况最大等效应力为775.3MPa，安全系数0.89；静强度工况下的最大等效应力为101.8MPa，安全系数6.78；疲劳强度工况下最大等效应力111MPa，安全系数1.62。保压工况下最大应力超过材料的屈服强度，不符合标准要求。

图5 保压工况的应力云图

图6 S2工况的应力云图

图7 T3工况的应力云图

3 油箱结构优化

根据上述计算结果，各工况下最大应力的位置均位于箱体背部补强梁根部。在挠曲变形的作用下，箱体由中间向两侧发生明显的应力集中。缓解该处应力集中，需要尽量减小箱体横向的挠曲变形。因此，在箱体两端的隔仓底部增加补强板，提高箱体横向刚度。

此外，在防波板和箱体之间增设加强筋，降低连接处应力。具体补强措施如图8所示。

图8 箱体补强模型

对优化后的模型进行上述工况下的有限元分析。结果表明，各工况下箱体的最大应力均有所降低。保压工况最大应力为654.2MPa，安全系数为1.1，如图9。箱体强度满足标准要求。最大应力位置为加油口与箱体连接位置。箱体底面与补强梁和防波板连接处的应力得到明显降低。

图9 优化后箱体保压工况云图

4 总 结

本文对某内燃动车组用车下燃油箱结构设计进行了简单总结。采用有限元法计算了在保压、静强度和疲劳强度工况下燃油箱箱体的应力分布。针对箱体在保压工况下因应力集中造成强度不足的情况，对箱体结构进行优化。根据优化后燃油箱强度分析的计算结果，验证了优化方法的有效性，保证了燃油箱强度满足标准要求。

参考文献

[1] 陈征.混合动力调车机车燃油箱结构强度分析[J].铁道机车与动车,2021(03): 33-37.

[2] 周美旺,周美志,姜凯,李湘宁,毕宏占,陈建旺.动力分散式内燃动车组电传动动力包冷却系统研制[J].铁道机车与动车,2018 (01):1-5.

[3] 王兆华,张锐,巨建民.轨道检测车油箱强度分析[J].大连交通大学学报,2008(04): 18-21.

[4]王伟. 某新型动车组油箱结构分析及优化[D].大连交通大学,2019.

[5]杜绍岩,田慧,王晓月.浅谈某内燃电传动车组动力系统[J].科技传播,2016, 8(13):170-171.

[6]刘帮平,谌曲平.动车油箱钣金件折弯提效技巧[J].金属加工(热加工),2015 (09):31-33.

[7]曹立达.动车底部油箱结构强度分析[J].南方农机,2019,50(11):104.