图7 油箱支架应力分布

图8 油箱支架加强前后模型对比图

2.2 疲劳寿命分析

在静强度分析结果的基础上，根据S-N曲线和载荷谱对油箱支架进行疲劳寿命分析。疲劳寿命分析需要材料的S-N曲线参数和疲劳载荷谱。

S-N曲线实验测定十分耗资费力，因此本文根据经验关系式进行疲劳极限的估算从而确定S-N曲线，经验关系式估算S-N曲线相对保守，对分析具有一定的指导性。对于标准材料试验的S-N曲线来说，根据材料103与106次循环的疲劳强度就可确定曲线，103次循环的疲劳强度根据经验大约等于90%的拉伸强度极限Sb，106次循环的疲劳强度（疲劳极限）等于50%的Sb。根据经验公式油箱支架材料20#钢的双对数S-N曲线如图9所示。

疲劳载荷可以分为确定性的载荷和随机载荷。确定性载荷是载荷变化有一个确定的规律，能够用明确的数学表达式来描述，根据这个表达式可以确定未来任何一个瞬时的载荷准确值，实验室疲劳试验载荷一般属于确定性载荷。随机载荷就是不能用数学关系式来描述的载荷，即载荷的幅值、频率都随时间无规律变化的载荷。本文采用随机载荷进行疲劳分析，在高速公路上车速为68Km/h左右（常用车速）时采集油箱支架处的加速度变化信号，得到一定时域的加速度数据（图10），其中加速度单位是g（1倍重力加速度），从图10可以看出加速度信号变化比较均匀，因此可以进行周期缩短的处理，以节省计算资源。一般对信号进行处理的原则是要满足关心频率和采样周期的要求，处理的方法是首先对时域信号进行频域转换，然后对频域信号进行考察，选择幅值较大的频率作为关注频率来压缩时域加速度曲线，最后以最小频率作为采样周期的选取标准。对图10进行傅立叶变化得到频域的加速度曲线（图11），观察不同频率下的加速度幅值，频率值为1.63Hz、2.14Hz、5.31Hz和11.05Hz时幅值较大，根据这几个频率值压缩加速度时间历程，但是在压缩过程中必须满足采样定理的要求，即采样周期必须大于最大周期(对应最小频率1.63Hz)的2倍，即采样时间T必须大于1.23秒，最后取前2秒时间内的加速度信号进行后续疲劳载荷谱周期信号的输入，由于研究车辆的运行环境一般为二级或二级以上等级的公路路面，而采集的加速度信号是在高速公路上面采集到的，因此根据经验对前述加速度信号进行1.5倍的加权，加权计算后得到疲劳分析加速度谱，如图12所示。

在HyperMesh/Radioss环境中，定义材料的S-N曲线、表面处理和循环加载工况，循环载荷谱以静强度计算结果为基础，根据图12输入加速度谱，即对静态应力分布采用加速度值进行加权得到循环载荷谱，随后即可进行油箱支架疲劳寿命的评估计算，其疲劳寿命计算结果如图13所示。从疲劳寿命分析结果可以看出，改进前油箱支架的疲劳估算寿命为30万次，根据车速和载荷谱时间折算里程为11333Km，疲劳危险部位分布于两块“几”型钢焊接处，与静强度计算结果相吻合，其他部位疲劳寿命足够；改进后油箱支架的疲劳估算寿命为120万次，折合里程为45333Km。寿命折合行驶里程的计算公式如下式：

其中：L——折合行驶里程，Km；
t——采样周期，s（秒）；
V——采样时的车速，Km/h；
S——计算得到的疲劳循环次数，每次循环对应2s的采样周期。

图13 油箱支架加强前后疲劳寿命估算结果

3 结论

建立油箱支架总成有限元模型，基于该模型进行静强度仿真计算，有限元仿真结果和该件装配在整车上的实际使用结果规律一致，且具有很好的精度。根据静强度分析结果，油箱支架在两块“几”型钢连接处采用焊接，没有加强筋，因此客观上形成多个应力集中区域，应力集中和焊接缺陷将显著地降低构件的疲劳极限，诱发构件早期疲劳失效。因此对该件采用筋板进行焊接部位的加强，对改进设计进行静强度分析，满足强度要求，同时对改进前后的油箱支架进行了基于S-N曲线和随机载荷谱的疲劳寿命预估，改进后寿命明显提高，满足设计及使用要求。