LNG車載氣瓶支架強(qiáng)度分析及優(yōu)化

徐童非 ，鄭甲紅，唐永科，曹 君

XU Tong-fei1 , ZHENG Jia-hong1 , TANG Yong-ke2, CAO Jun2

（1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.西安德森新能源裝備有限公司，西安 710043）

0 引言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，工業(yè)氣體在工農(nóng)業(yè)、國防科研和醫(yī)療等方面的應(yīng)用更為明顯[1]；與此同時(shí)，霧霾、揚(yáng)塵等環(huán)境問題越發(fā)嚴(yán)重促使國家進(jìn)行新興能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整，大批新興能源項(xiàng)目獲得迅速發(fā)展，其中天然氣的消費(fèi)在國內(nèi)外與日俱增。天然氣既可作為生活燃料，亦可作為汽車燃料，具有低碳環(huán)保、無毒、污染少、費(fèi)用低、易于貯存運(yùn)輸、安全性好等優(yōu)勢。LNG汽車燃料在國內(nèi)發(fā)展時(shí)間較短，技術(shù)有待提高，因此其發(fā)展前景十分光明。然而要想將此技術(shù)在國內(nèi)推向成熟，車用LNG產(chǎn)業(yè)依然面臨諸多問題有待解決，如氣瓶失真空、絕熱性能差、氣瓶閥門管路低溫條件下失效，蒸發(fā)率高等；其中，氣瓶支架的輕量化對經(jīng)濟(jì)效益也有直接影響，因此研究分析氣瓶支架強(qiáng)度，優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，減少支架材料的耗用，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

1 現(xiàn)用的氣瓶支架

現(xiàn)用的氣瓶支架，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗材高等缺陷；質(zhì)量約為291.5kg，且在市場中運(yùn)行良好，各項(xiàng)性能均達(dá)到強(qiáng)度要求，實(shí)物和三維模型如圖1所示。新架的材料為Q235，其屬性如表1所示。

表1 -Q235的材料力學(xué)性能

2 新型氣瓶支架的有限元模型建立

圖1 實(shí)體和三維模型

通過SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)新型氣瓶支架模型[2]，并導(dǎo)入ANSYS分析軟件中，其材料選取Q235，支架總質(zhì)量約為225.8kg，如圖2所示。

圖2 新型支架有限元模型

3 新型氣瓶支架強(qiáng)度分析

通過三種工況（正常行駛工況分析、制動工況、轉(zhuǎn)彎工況）對氣瓶支架強(qiáng)度進(jìn)行分析，考察各工況下氣瓶支架的應(yīng)力分布情況。因此需添加慣性力載荷，根據(jù)GB/T19905-2005《液化氣體運(yùn)輸車》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，氣瓶支架受慣性載荷如下：2g的重力加速度，垂直向下（正常運(yùn)動工況）；2g的重力加速度，沿運(yùn)動方向（制動工況）；1g的重力加速度，與運(yùn)動方向成直角的水平方向（轉(zhuǎn)彎工況）[4～6]。

3.1 正常行駛工況

1）采用static structural模塊對已建立好的氣瓶支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]，運(yùn)用Multizone方法，單元格大小設(shè)為：20mm，網(wǎng)格劃分得：Nodes： 357442；Elements：149706。

2）添加約束、載荷：約束底下兩個(gè)大梁底面，和端面的六個(gè)自由度；Y向?yàn)?g的重力加速度，將慣性加速度轉(zhuǎn)化為慣性力施加在框架弧板上[4]，求解得：

Y向慣性力大小為：FY=Ma=450×2g=9000N；

氣瓶和天然氣總重：G=450×g=4500N；

故：Y向每個(gè)弧板受載荷均為-6750N。

3）求解得等效應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力為71.54MPa，安全因子為3.28。1）、2）、3）分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 正常行駛工況

3.2 制動工況

1）劃分網(wǎng)格方法和添加約束與3.1正常行駛工況相同。

2）添加載荷：Z向的慣性加速度為2g，Y向?yàn)間的重力加速度；將慣性加速度轉(zhuǎn)化為慣性力施加在框架弧板上，求解得：

Z向慣性力大小為：FZ=Ma=450×2g=9000N；

Y方向慣性力大小為：FY=Ma=450×g=4500N；

氣瓶和天然氣總重：G=4500N；

故：Z向每個(gè)弧板受載荷均為4500N，Y向每個(gè)弧板受載荷均為-4500N。

3）求解得等效應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力為147.05MPa，安全因子為1.59。1）、2）、3）分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 制動工況

3.3 轉(zhuǎn)彎工況

1）劃分網(wǎng)格方法和添加約束與3.1正常行駛工況相同。

2）添加載荷：X向的g加速度，Y方為g的重力加速度，將慣性加速度轉(zhuǎn)化為慣性力施加在框架弧板上，求解得：

X向慣性力大小：FX=Ma=450×g=4500N；

Y向慣性力大小：FY=Ma=450×g=4500N；

氣瓶和天然氣總重：G=4500N；

故：X向每個(gè)弧板受載荷均為2250N，Y向每個(gè)弧板受載荷均為-4500N。

3）求解得等效應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力為127.83MPa，安全因子為1.83。1）、2）、3）分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)彎工況

4 分析結(jié)果對比

對氣瓶支架三種不同工況下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。

得到結(jié)果對比如表2所示。

表2 三種不同工況下的分析結(jié)果對比

5 結(jié)論

由氣瓶支架三種不同工況下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析可知：

1）氣瓶支架在三種工況下，都符合設(shè)計(jì)要求；

2）因瓶體框架質(zhì)心較高，由分析結(jié)果可看出：轉(zhuǎn)彎工況（側(cè)向加載）承受載荷最弱，其次是制動工況（前后加載），正常行駛工況（垂直向下）承載能力最強(qiáng)；

3）氣瓶在正常行駛工況下，垂向加載加速度為6.57g，支架產(chǎn)生屈服；氣瓶在制動工況下，橫向加載加速度為3.2g，支架產(chǎn)生屈服；氣瓶在轉(zhuǎn)彎工況下，側(cè)向加載加速度為1.85g，支架產(chǎn)生屈服；

4）新型設(shè)計(jì)的氣瓶支架質(zhì)量約為225.8kg，現(xiàn)用的氣瓶支架291.5kg，相比質(zhì)量要減輕22.5%，實(shí)現(xiàn)氣瓶支架輕量化，生產(chǎn)成本有效降低。

[1]張祉佑,石秉三.低溫技術(shù)原理與裝置（上）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

[2]趙罘,楊曉晉,劉玥.SolidWorks2013中文版機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[3]浦廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解（第二版）[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

[4]萬里平.液化氣體運(yùn)輸罐車強(qiáng)度分析和防波板設(shè)計(jì)[D].北京:北京化工大學(xué),2011.

[5]GB/T19905-2005 《液化氣體運(yùn)輸車》[S].2005.

[6]李陽,汪榮順,王彩莉,等.使用ANSYS對慣性力作用下的低溫絕熱氣瓶進(jìn)行應(yīng)力分析與優(yōu)化[J].低溫與超導(dǎo),2009,37(11):7.