車載LNG輕量化氣瓶框架特性分析

魏 平 ，王建軍 ,2，李 健

（1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學院，安徽 蕪湖 241002；2.燕山大學，河北 秦皇島 066004；3.蕪湖勤惠科技有限公司，安徽 蕪湖 241000）

求解車輛零部件疲勞壽命通常采用靜力學分析和求解單位載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與道路載荷疊加后形成的應(yīng)力時間歷程曲線[1]。液化天然氣LNG作為汽車燃料，具有低碳環(huán)保、費用低、易于貯存和運輸?shù)奶匦裕斍氨黄毡閼?yīng)用于工程車領(lǐng)域[2]。汽車輕量化進程中，氣瓶框架的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等都在進行對應(yīng)改進，會影響氣瓶組件安全。因此，優(yōu)化氣瓶框架結(jié)構(gòu)和輕量化會直接影響產(chǎn)品安全和企業(yè)經(jīng)濟效益[3]。

氣瓶滿重為800 kg，框架前后橫梁板材料為7075T6高強度航空用鋁合金，左右氣瓶鞍座為5083H111鋁合金板材，中間四塊連接板為6082鋁合金板，其他為610L板。產(chǎn)品及應(yīng)用場，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品及應(yīng)用場

1 模態(tài)分析

1.1 邊界條件

約束：約束氣瓶框架下底面2個轉(zhuǎn)動、2個移動共4個自由度；約束框架安裝孔六個自由度完全約束，如圖2所示，為分析用框架總成的幾何數(shù)據(jù)及有限元模型。

1.2 模態(tài)分析

1.2.1 固有頻率分析

引起框架振動源主要是車輛在行駛中的路面激勵，以及發(fā)動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激勵。但是，框架的低階模態(tài)對車的振動影響最大，因此盡量避免框架的固有頻率發(fā)生在低階模態(tài)，且避免與發(fā)動機激勵頻率或者路面激勵頻率的重疊，這樣既可減弱框架結(jié)構(gòu)的振動情況，又可提高整車穩(wěn)定性。

發(fā)動機激勵頻率的計算式為[1]

式中fr為發(fā)動機干擾頻率；j為諧次數(shù)，取值2；n為怠速時轉(zhuǎn)速，取平均值為1 200 r/min；z為發(fā)動機缸數(shù)，取值為4；t為沖程的2倍為8。

路面激勵頻率的計算式為[1]

式中ft為路面激勵頻率；v為車速，取平均值60 km/h；λ為搓板路路面波長平均值，取0.5 m。

依據(jù)式（1）、（2）計算，得到怠速時發(fā)動機運轉(zhuǎn)基頻率為20 Hz左右；路面激勵振動頻率為16.7 Hz左右。

1.2.2 前三階模態(tài)分析

對原始數(shù)據(jù)模型（圖2），進行前三階模態(tài)分析后，得到氣瓶框架結(jié)構(gòu)的主要信息（表1），和主要振型（圖3）。可以得到前三階模態(tài)振動頻率均高于固有頻率，不會產(chǎn)生共振的結(jié)果。

圖2 分析模型圖

圖3 前三階主要振型

表1 氣瓶框架前三階頻率

2 剛度分析

對原始數(shù)據(jù)模型（圖2），選定氣瓶和固定座的固定點，在X、Y、Z三軸及正負六個方向施加8 g加速度，進行剛度相對位移分析，得到氣瓶在滿載情況下相對位移（表2）和主剛度分析（圖4）。

圖4 六種位置剛度位移

表2 氣瓶與框架相對位移

3 強度分析

根據(jù)框架實際情況施加邊界條件，建立四種加載力場（表3），應(yīng)力云圖（圖5）?？蚣艿闹黧w材料以610 L為主，其抗拉強度為220 MPa，屈服強度為500 MPa。在（a）制動工況下，最大應(yīng)力為35.9 MPa,出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料610 L的屈服強度（510 MPa）；在（b）轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力為66.1 MPa，出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料5083H111的屈服強度（210 MPa）；在（c）制動和轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力為64.9 MPa，出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料5083H111的屈服強度（210 MPa）；在（d）垂直跳動工況下，最大應(yīng)力為46.1 MPa，出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料5083H111的屈服強度（210 MPa）。

圖 5 應(yīng)力云圖

表3 四種工況場的設(shè)置

仿真結(jié)果顯示最大應(yīng)力遠低于其抗拉強度，也低于屈服強度。這是可靠性分析的依據(jù)，但是也有突發(fā)斷裂的可能，必須進行耐久性實驗，在試驗臺或路跑實驗中出現(xiàn)了疲勞破壞再進行分析。部件的疲勞性破壞是在循環(huán)應(yīng)力作用下，局部應(yīng)力最大處可能會產(chǎn)生的微小裂紋，逐漸形成較大的可見裂紋，導致斷裂。所以，有必要進行低應(yīng)力疲勞破壞試驗。

4 小結(jié)

采用此種框架的結(jié)構(gòu)形式、材料選型及設(shè)計方法，模態(tài)分析均大于目標值25 Hz，剛度分析六個方向值均小于目標值13 mm，強度分析四種工況，應(yīng)力均低于對應(yīng)材料的屈服極限值。通過有限元分析，在常態(tài)下工作運行受力振動及疲勞壽命，確定了整體結(jié)構(gòu)滿足靜強度和疲勞強度要求，為后期再進行試驗平臺和實況路面試車運行提供了前期數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參照。