汽車用儲氣筒的結構優化設計與分析

宋 江，張立軍，趙永瑞

（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580）

隨著科學技術的發展，壓力容器的應用領域越來越廣[1-2]。汽車用儲氣筒是一種典型的小型壓力容器，主要由中間部分的筒體和兩端的封頭組成。作為汽車零部件的重要組成部分，儲氣筒主要起儲存壓縮空氣及剎車制動的作用，其性能的好壞直接影響行車安全和車底空間布局等。因此，本著節約材料、在安全前提下減薄壁厚進而減輕汽車總重的原則，研究儲氣筒的工作壓力、所用材料以及外形結構具有十分重要的意義。

1 儲氣筒壁厚的理論設計

儲氣筒壁厚的設計參數：設計溫度為25℃；工作壓力分別為0.8 MPa、1.2 MPa 和1.5 MPa；材質分別為鋁合金、低合金鋼和碳素鋼。在以上參數下，設計并計算其最小壁厚，以滿足安全要求。

1.1 壓力容器壁厚的計算和校核公式

壓力容器的壁厚計算公式為：

考慮介質等因素后，壓力容器的設計壁厚公式為：

最大允許工作壓力[ ]pw公式為

其中：pc為計算壓力，MPa；Di為儲氣筒內徑，Di=D0-2δn，mm；D0為儲氣筒外 徑，mm；δe為有效厚度，δe=δn-C ，mm；δn為名義壁厚，mm；C 為厚度附加量，mm；[ ]σt為設計溫度下儲氣筒材料的許用應力，MPa；? 為焊接接頭系數。

1.2 鋁合金儲氣筒壁厚的計算公式

當材質為2018 鋁合金儲氣筒在1.2 MPa 工作壓力時，假設儲氣筒的名義壁厚δn=2 mm，外徑D0=348 mm，則內徑Di=D0-2δn=344 mm。計算壓力pc=1.1×1.2=1.32 MPa。

計算厚度為

由于鋁合金的表面易自然形成一層致密牢固的Al2O3保護膜，能很好地保護筒體不受腐蝕，使用壽命長[3]；而且汽車用儲氣筒一直處在空氣中，腐蝕性較小，取腐蝕裕量C2=0 mm 。因此設計厚度δd=δ ＋C2=1.63 ＋0=1.63 mm 。查相關手冊得出厚度負差C1=0.08，因為該值不超過名義壁厚的6%，所以其厚度負差忽略不計。圓整后名義壁厚δn=2 mm，有效壁厚δe=δn-C=2 mm。

強度校核為:

最大允許工作壓力為：

針對其它兩組工作壓力或材質的儲氣筒壁厚的計算方法與上相同。

2 儲氣筒外形的設計比較

針對2018 鋁合金儲氣筒；在1.2 MPa 的工作壓力和25℃的設計溫度下，比較圓筒形儲氣筒和長方體儲氣筒對使用要求的影響。

2.1 圓筒形儲氣筒

采用標準橢圓形封頭[4]的具體設計參數為：D0=2r0=348 mm，δn=2 mm，Di=2ri=344 mm，封頭曲面深度hi=100 mm，筒體長度L=700 mm。則圓筒形儲氣筒的體積為：

2.2 長方體儲氣筒

根據計算厚度公式δ=max{ }δx，δy，其中：

查相關手冊，得出系數β =0.042 7，β1=0.017 2。

長方體儲氣筒的體積為：

可見，針對同種材質，在汽車中所占空間一致的情況下，長方體儲氣筒的重量大于圓筒形儲氣筒的重量。圓筒形儲氣筒受力均勻，耐壓能力好，能充分發揮材料的承載力；長方體儲氣筒承載能力差，厚度方向彎曲應力成線性分布，且其頂角和棱角處易出現應力集中。長方體容器的壁厚設計的相當厚才能提高承壓能力，圓筒形容器各部承壓合理壁厚可以設計的薄一些。因此從節約材料、減輕重量、受力狀態等方面綜合考慮，采用圓筒形儲氣筒較好。

3 圓筒形儲氣筒壁厚的優化設計

儲氣筒的初始設計參數為，D0=348 mm，總長900 mm，工作壓力為1.2 MPa。

設計要求是，在滿足給定的強度條件下，使整個儲氣筒的重量達到最小。選定儲氣筒的壁厚d 為設計變量，等效應力σ 為約束條件。由于筒體外徑和總長一定，可用儲氣筒的橫截面積代替其重量大小[4-6]。以儲氣筒筒體的截面積S 為目標函數，其表達式為

其中：100A為橢圓形封頭的長半軸長，100B為橢圓形封頭的短半軸長，L0為儲氣筒總長。

由于整個儲氣筒是軸對稱結構，故在ANSYS 軟件中可以建立其1/4 模型，如圖1 所示。得到1.2 MPa 下鋁合金儲氣筒的等效應力分布如圖2 所示。在此基礎上分別計算出在二種壓力（0.8 MPa、1.5 MPa）下，三種材質（鋁合金、不銹鋼和碳素鋼）的儲氣筒的最優壁厚，如表1所示。

圖1 儲氣筒的1/4有限元模型

圖2 等效應力分布云圖

從表1 中可以看出，在相同條件下，考慮到腐蝕裕量、厚度負偏差等因素時，鋁合金和不銹鋼儲氣筒的名義壁厚較小。而由ANSYS軟件優化計算得出的碳素鋼儲氣筒壁厚較小。

通過計算三種材料的儲氣筒最優壁厚下的體積，并考慮各自密度，得出2018鋁合金儲氣筒的重量為4 478.43 g，Q345R 碳素鋼儲氣筒的重量為9 546.6 g，S11306 不銹鋼儲氣筒的重量為13 132.65 g。因此，對比這三種材料，鋁合金最符合設計目的，更趨向于汽車輕量化發展。

4 結論

（1）理論計算表明，當外徑為348 mm、總長為900 mm時，在0.8 MPa、1.2 MPa和1.5 MPa下，得到鋁合金儲氣筒壁厚的最小值分別為1.08 mm、1.63 mm、2.03 mm；碳素鋼儲氣筒壁厚的最小值分別為0.80 mm、1.20 mm、1.50 mm；不銹鋼儲氣筒壁厚的最小值分別為：1.11 mm、1.67 mm、2.09 mm。

（2）在汽車中所占空間一致的條件下，長方體儲氣筒的重量大于圓筒形儲氣筒的重量。因此從節約材料、減輕重量、受力狀態等方面綜合考慮，采用圓筒形儲氣筒較好。

（3）綜合考慮多種因素的影響，利用優化設計，指出鋁合金板材制造圓筒形儲氣筒為最佳選擇。

表1 不同材料儲氣筒在不同壓力下各自相關壁厚

［1］鄭津洋，繆存堅，壽比南.輕型化——壓力容器的發展方向［J］.壓力容器，2009，26（9）：42-48.

［2］Dennis R.Moss.壓力容器設計手冊：第三版［M］.北京：中國石化出版社，2005.

［3］JB/T 4734-2002.鋁制焊接容器［S］.

［4］杜軍鴿，張亞新.基于ANSYS軟件的橢圓形封頭壓力容器的力學綜合分析［J］.輕工機械，2007，25（4）：44-46.

［5］張亞新，石傳美.基于ANSYS的壓力容器壁厚優化設計［J］.機械與電子，2009（8）：57-60.