燃料電池城市客車儲氫瓶疲勞分析

唐學志 趙雨東 樊 彬 王文軍

（清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室）

1 前言

燃料電池城市客車作為新能源汽車的代表之一，其安全性備受關注。燃料電池客車的安全包括氫安全、電安全及碰撞安全等。在3項安全問題中，氫安全最被人們所關注。氫安全是指氫的特性引起的安全問題，主要涉及高壓儲氫瓶、供氫管路和燃料電池。國外關于燃料電池客車的氫安全問題的研究主要集中在氫泄漏、著火安全性等方面，而關于儲氫瓶疲勞方面的研究未見相關報道；我國在這方面的研究也處于起步階段。

本文所研究的儲氫瓶是我國某企業生產的鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合瓶，瓶口通過螺紋連接安裝了某公司開發的質量為6.71 kg的集成閥，集成閥和儲氫瓶隨車振動時可能會引起儲氫瓶瓶口附近疲勞破壞，為此，通過試驗測量并結合相關理論對儲氫瓶瓶口附近的疲勞強度進行分析研究。

2 分析流程

根據文獻[1]～文獻[7]確定儲氫瓶疲勞分析流程為:

a.通過試驗模態分析測量裝有集成閥儲氫瓶的前幾階固有頻率及其振型，進而找出儲氫瓶的關鍵頻率和振型；

b.測量燃料電池城市客車實際運行時車頂的振動情況，得到車頂振動的功率譜密度（PSD）和時域數據；

c.根據實測PSD譜和時域數據，簡化得到振動試驗臺所需的評價譜 （PSD譜和正弦定頻譜），將儲氫瓶安裝在振動臺上，按照各評價譜分別激振，同時測量瓶口的動態應變；

d.根據所測動態應變計算出等效應力幅及等效平均應力，得到多軸疲勞理論下的Goodman圖，分析儲氫瓶的疲勞特性。

3 儲氫瓶試驗模態分析

3.1 主要設置

理論上試驗模態分析是用力錘敲擊物體得到輸入信號 f（t）和物體上的加速度響應信號x（t），然后進行頻譜變換得到頻響函數 H（f）=X（f）/F（f），再根據模態參數估計算法得到物體的固有頻率、模態阻尼及模態振型。

儲氫瓶的試驗模態分析方法為，利用細鋼絲繩懸吊儲氫瓶（圖1），采用PCB公司加速度傳感器和具有硬塑料錘頭的力錘。傳感器安裝位置見圖2。儲氫瓶模態試驗的測點為64個，瓶口模態試驗的測點為39個，每個測點敲擊3次，模態參數估計算法選用系統實現算法（ERA）。

3.2 試驗模態分析結果

在儲氫瓶裝有集成閥情況下，試驗模態分析得出的瓶體前3階固有頻率和第1階振型分別如表1和圖3所示。由表1和圖3可看出，儲氫瓶的第1階固有頻率遠高于正常車頂的分析頻率（0～75 Hz），且振動主要發生在儲氫瓶中部。

由于儲氫瓶瓶口附近的疲勞特性更關鍵，所以對包括集成閥在內的儲氫瓶前端瓶口進行了瓶口試驗模態分析，結果如表2和圖4所示。由表2和圖4可看出，第1階振動的最大振幅發生在集成閥的質心附近，第1階固有頻率也遠高于正常的車頂分析頻率。

表1 儲氫瓶前3階固有頻率 Hz

表2 瓶口前3階固有頻率 Hz

由上述試驗結果可知，在正常的運行過程中，燃料電池城市客車的儲氫瓶瓶體和集成閥的第1階共振是不會發生的，儲氫瓶的疲勞應主要受車頂振動的影響。

4 車頂振動測量

為能在振動試驗臺上重現燃料電池城市客車儲氫瓶口附近振動情況，以便進行疲勞評價，對實際運行的燃料電池城市客車儲氫瓶口附近的車頂隨機振動進行了測量。對所測數據進行頻域和時域處理后，得出了振動試驗臺重現實際振動所需要的PSD，以及能在振動試驗臺上產生比實際振動強度大的加速PSD和最大峰值正弦譜。

測試所用燃料電池城市客車作為公共汽車每天運行于北京頤和園北宮門與人民大學東門之間，行程為15 km，且每日需從頤和園北宮門返回加氫站，行程為10 km。

如圖5所示，在1個儲氫瓶靠近瓶口的前支架附近的車頂上布置了1個加速度傳感器。共測量3組數據，第1組和第2組數據為客車在往返全程載客路線行駛時測得，第3組數據為客車返回加氫站過程中測得。儲氫瓶前支架附近車頂振動測量結果（第1組數據）見圖6。

由圖6及其它2組數據（本文略）可知，車頂的振動主要集中在20 Hz內。考慮到振動試驗臺難以實現頻率低于2 Hz的振動，以及功率譜密度中應盡可能反映實際振動能量所在的頻率范圍，所以對2～200 Hz頻率范圍內的功率譜密度進行分析，得到的可用于振動試驗臺激振并重現車頂振動的功率譜密度見圖7。在2～200 Hz頻率范圍內，選取功率譜密度恒為6.299×10-4g2/Hz，可得到加速功率譜密度譜。

根據測量數據及最大峰值頻率分析理論，可得出3組測量時域上的最大加速度值及其對應的頻率，即最大峰值正弦評價譜，見表3。

表3 最大峰值正弦評價譜

5 振動重現及動態應變測量

用上述測得的PSD、加速PSD和最大峰值正弦譜，在振動試驗臺上對儲氫瓶激振，使儲氫瓶瓶口附近重現實車運行條件下的振動情況，或產生比實際運行情況更劇烈的振動，采用應變法測量儲氫瓶瓶口附近的動態應力。

因儲氫瓶較長，所以在振動臺上安置儲氫瓶時，將激振基座支撐在儲氫瓶前端靠近瓶口的位置上，而瓶的后端采用2個帶軸承的小輪（簡稱車輪）實現鉸鏈支撐（圖8）。應變片A、B分別貼在儲氫瓶瓶口的上、下端。

6 疲勞分析

基于多軸疲勞理論和Goodman疲勞準則對儲氫瓶的疲勞情況進行分析。

首先根據應變片在 3 個軸（0°、45°、90°）上的應變得到主應力，然后計算出最大交變應力幅和最大平均應力，再根據多軸疲勞狀態下的等效應力幅和等效平均應力計算方法[7]，計算出不同評價譜下激振瓶口振動狀況的等效應力幅Sqa和等效平均應力Sqm，見表 4。

表4 各疲勞載荷譜振動下的Sqa和Sqm值 MPa

根據儲氫瓶瓶口材料、結構尺寸和載荷情況以及文獻 [8]，得出儲氫瓶構件的等效屈服極限Sy=21.88 MPa，等效疲勞極限Sf=9.95 MPa，等效拉伸極限Su=24.88 MPa。

根據不同評價譜下激振引起儲氫瓶瓶口振動的等效應力幅和等效平均應力，以及儲氫瓶構件的各疲勞極限，可作出儲氫瓶在各評價譜振動情況下的Goodman圖。圖9為功率譜密度評價譜（圖7）振動下的Goodman圖。

從圖9及表4中其它各評價譜振動的Good?man圖（本文略）可知，在各疲勞載荷譜下，瓶口上端測點A和下端測點B都在Goodman疲勞分析圖中強度可接受的區域內，說明A、B測點及瓶口內螺紋危險點都是安全的。但A點的等效應力幅和等效平均應力都大于B點，表明A點的疲勞強度比B點略低。

加速評價PSD和最大峰值正弦譜振動下（本文略），等效應力幅和等效平均應力變化幅度都在1～4 MPa的范圍內，說明儲氫瓶安裝集成閥后，在瓶口疲勞中起決定因素的不是實際行駛過程中由集成閥振動引起的應力變化，而可能是由儲氫瓶充放氣過程和充放氣次數導致的。

7 結束語

為分析某燃料電池城市客車儲氫瓶因懸置安裝集成閥引起的瓶口附近疲勞情況，通過測量儲氫瓶模態和實車運行時的車頂加速度，得出在振動試驗臺重現振動所需的疲勞評價譜。利用評價譜在振動試驗臺上重現了儲氫瓶振動，測量了儲氫瓶瓶口在各種評價譜下的動態應力，根據多軸疲勞理論分析了儲氫瓶瓶口附近的疲勞特性。分析結果表明，儲氫瓶瓶口的疲勞強度在可接受的區域內，集成閥的振動不是儲氫瓶瓶口疲勞的決定因素。

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