天然氣重型貨車氣瓶支架改進及輕量化研究

李陽 趙清江 萬鑫銘

中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 400039

1 前言

隨著國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐步實施，天然氣重型貨車已成為眾多商用車生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)重點之一。與貨車使用的傳統(tǒng)燃料汽油、柴油相比，使用天然氣在價格、環(huán)保、抗凍性方面均具有明顯優(yōu)勢。作為一種清潔能源車，與柴油貨車相比，天然氣貨車顆粒物的排放低于95%，NOX低 于49%，CO2低于7%。增加天然氣卡車的使用量是減少對石油依賴的最有效、最經(jīng)濟的途徑[1]。

由于重型發(fā)動機功率大，燃料消耗量高，與乘用車相比，其氣瓶體積大、載質(zhì)量大，而且由于貨車運行環(huán)境較差，故其氣瓶支架的強度是否符合要求對于保證車輛的正常運行也起著重要作用。筆者根據(jù)企業(yè)具體需求，對某天然氣重型貨車氣瓶安裝支架進行了結(jié)構(gòu)改進。按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行仿真分析，判斷其靜強度與位移情況，利用分析結(jié)果對支架結(jié)構(gòu)進行工藝性與輕量化改進，最后利用試驗驗證了改進方案的合理性。改進方案運用到實際車型生產(chǎn)中，取得了良好的經(jīng)濟效益。

2 初始方案分析

2.1 初始方案模型建立

整個氣瓶支架由鋼制支架、橡膠襯墊等組成。根據(jù)已有3D模型，結(jié)合產(chǎn)品樣件，建立有限元分析模型。模型共有單元數(shù)118 195個，節(jié)點數(shù)135 100個，安裝支架、橡膠采用Solid單元。氣瓶采用shell單元，簡化為剛體處理。安裝支架與車架之間采用螺栓連接，支架之間的焊接關(guān)系采用節(jié)點耦合方式處理[2]，氣瓶間的橡膠支撐采用節(jié)點耦合方式與氣瓶相連。材料參數(shù)設(shè)置見表1所示。

表1 氣瓶支架材料特性

2.2 原始方案靜力分析

2.2.1 載荷與約束的確定

根據(jù)GB/T 19240－2003的安裝技術(shù)要求，氣瓶安裝緊固后，在上、下、左、右、前、后6個方向上應(yīng)能承受8倍于充滿額定工作壓力的CNG氣瓶重力的靜力[3]?？紤]到國家標(biāo)準(zhǔn)定義的安全系數(shù)綜合了安全、振動、疲勞等系數(shù)的乘積，將其作為本產(chǎn)品的評價指標(biāo)。按照國標(biāo)要求和支架的具體安置情況，分為3個工況對氣瓶支架進行分析。具體載荷及約束如下：

式中，F(xiàn)y為 施加在燃?xì)馄可系撵o力載荷；m1為單個燃?xì)馄康目掌抠|(zhì)量；m2為充滿燃?xì)夂髥纹恐械娜細(xì)赓|(zhì)量；g為重力加速度，g＝9.8 m/s2。

3種工況約束情況相同，在氣瓶支架與車架連接的螺栓孔處，將平動和轉(zhuǎn)動共6個自由度進行約束。

2.2.2 分析結(jié)果

采用Abaqus軟件進行支架的靜力分析。氣瓶安裝支架在承受向上、左右、向前方向載荷時，得到有限元分析應(yīng)力云圖(見圖1～3)。

2.3 模型驗證

如圖4所示，根據(jù)GB/T 19240－2003的安裝技術(shù)要求，將氣瓶支架組件固定，分別在向上、左右、向前的3個方向加載，大小為8倍氣瓶重力，約為34 810 N進行靜壓試驗。靜壓試驗中要求支架最大變形量不允許超過13 mm，氣瓶、支架及附件不允許出現(xiàn)裂紋、斷裂及永久性損壞。

根據(jù)初步分析結(jié)果，對氣瓶支架選取相應(yīng)的測量點，在支架組件處于向上的工況下，對關(guān)鍵點粘貼應(yīng)變片測量應(yīng)力，其余測量點加千分表測出變形量。支架最大變形試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗測量點位移值 mm

根據(jù)應(yīng)變片測出關(guān)鍵點應(yīng)力為314.8 MPa，相應(yīng)位置的仿真應(yīng)力值為303.6 MPa，誤差約為3.6%。

從試驗可知，在國標(biāo)要求的試驗條件下，初始方案氣瓶支架最大變形沒有超過國標(biāo)限值，支架和附件上也未出現(xiàn)裂紋，方案可行，且還存在著一定的優(yōu)化空間。同時，將變形、應(yīng)力仿真值與試驗值進行比較，可以看出有限元模型分析結(jié)果與試驗數(shù)值較為接近，能滿足工程分析的需要。此有限元模型可以作為結(jié)構(gòu)改進分析的基礎(chǔ)。

3 改進方案分析

3.1 改進方案確定

改進方案主要從工藝性及輕量化兩個方面進行。

原設(shè)計方案中，由于氣瓶安裝過程中需要將氣瓶逐個插入支架中，工序繁瑣，效率低。因此，從提升工藝性的角度考慮，將原始結(jié)構(gòu)由閉口改為開口方案，支架上部與U型下部結(jié)構(gòu)以螺栓連接，裝配時直接將氣瓶放入支架下部，再將支架上下部連接起來，從而大大提升了工作效率，降低了勞動強度。同時，考慮開口支架螺栓連接強度，采用高強度螺栓進行連接，確保支架連接的穩(wěn)固。

在提升工藝性的基礎(chǔ)上，由于在各工況分析中，發(fā)現(xiàn)氣瓶支架的彎板及支架的上連接板的應(yīng)力值均較小，同時考慮采購制造因素，將支架彎板及上連接件厚度進行減薄。經(jīng)過多次更改方案的結(jié)果對比，最終將其厚度由原來的6 mm減至4 mm，優(yōu)化后氣瓶支架減重約27.3 kg。

結(jié)構(gòu)改進如圖5所示。

3.2 改進方案的靜力分析

針對優(yōu)化后的方案，再按照標(biāo)準(zhǔn)要求，進行仿真分析，具體仿真結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化模型支架靜壓分析列表

改進方案相對于原始方案，其變形值基本相當(dāng)，應(yīng)力值未超過材料屈服極限，無破裂危險。同時支架的質(zhì)量降低27.3 kg，工藝性大大改善，輕量化水平明顯提升。

4 改進方案試驗驗證

按照國標(biāo)要求，在相同的試驗條件下進行改進方案的靜壓試驗。改進前后變形值試驗及仿真值對比如表4所示。

從試驗結(jié)果可以看出，改進前后氣瓶支架在3個加載工況下最大位移值基本相當(dāng)，而且小于國家法規(guī)限值，具備一定的安全系數(shù)。改進方案的仿真值與實驗值的吻合度較高，相對誤差在工程允許范圍內(nèi)[4]，印證了改進分析的正確性。

表4 靜壓試驗結(jié)果 mm

5 結(jié)語

根據(jù)提供的模型及樣件，建立了支架及氣瓶的有限元模型，按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行相關(guān)試驗，驗證了支架有限元模型的正確性和可靠性。在反復(fù)分析的基礎(chǔ)上，利用應(yīng)力分布結(jié)果，綜合考慮工藝方案，確定修改方案。仿真分析結(jié)果證明，考慮制造成本及工藝性的優(yōu)化方案是可行的，其優(yōu)化后支架的抗靜壓性能與原結(jié)構(gòu)相近。通過改進方案試驗，驗證了改進方案的正確性。利用有限元分析手段，避免了方案改進的盲目性，節(jié)省了設(shè)計成本、試驗費用,縮短了設(shè)計時間，為順利生產(chǎn)提供了支撐[5,6]。

同時需要認(rèn)識到，仿真分析的精度影響因素較多，如軟件算法、建模簡化、需要有大量材料試驗數(shù)據(jù)支撐。限于本項目具體狀況，分析結(jié)果存在一定偏差，如果能夠通過精細(xì)化建模、完善材料參數(shù)等方式，CAE分析的精度則會有更大的提升。

[1]孟欣.談我國天然氣汽車的發(fā)展[J].汽車工業(yè)研究,2010(8):10-11.

[2]張鐵山,胡建立,唐云.輕型汽車車架動態(tài)有限元分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報,2001.25(6):588-591.

[3]GB/T 19240－2003.壓縮天然氣汽車專用裝置的安裝要求[S].

[4] 陳龍,周孔亢.載重汽車車架強度分析與試驗研究[J].機械強度,2002.24(1):148-150.

[5] 陳大陸,何志剛,朱茂桃等.車架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2004(2):5-7.

[6] 侯煒.汽車車架的有限元靜動態(tài)分析[D].秦皇島:燕山大學(xué),2010.