針對一種重型卡車燃氣構架的優(yōu)化設計及仿真分析

干奇銀

（北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，北京 101400）

近年來，隨著環(huán)保要求的嚴苛，并考慮運輸成本，天然氣汽車得到了大力發(fā)展。一般天然氣汽車有兩種：壓縮天然氣（CNG）汽車和液化（LNG）天然氣汽車。本文是針對CNG汽車的燃氣托架做的結構優(yōu)化。

某型號的CNG 自卸卡車，CNG 氣瓶固定在車架兩側，單側4 個一組，共8 個燃氣瓶。CNG 氣瓶較重，該車型配置的CNG 單個瓶重約110kg，因此，燃氣瓶托架是關鍵的受力件，其承載能力為這款CNG 自卸車車的的重要質(zhì)量指標。作者在設計之處選擇了“口”字型托架閉型結構設計（簡稱“閉口托架”），托架內(nèi)層及氣瓶之間使用橡膠墊塊做減振元件，每兩個托架并排安裝，承載四個CNG 氣瓶。通過耐久試驗和市場驗證，該結構的強度及對氣瓶的保護效果良好。

但自卸車的工況復雜，經(jīng)常在條件惡劣的礦區(qū)作業(yè)，近來有部分燃氣托架出現(xiàn)斷裂的情況。另外，燃氣瓶在該托架上不易安裝，托架的質(zhì)量較大，制作工藝復雜成本較高，因此，需要對該零件做技術優(yōu)化，改進其結構，降低事故率和生產(chǎn)成本。圖2 即為CNG 氣瓶及閉口托架的三維模型。

圖1 采用CNG 氣瓶 的自卸汽車

圖2 CNG 氣瓶及閉口托架三維模型

1 燃氣瓶托架的結構優(yōu)化

經(jīng)過分析，將燃氣瓶托架結構做如下優(yōu)化：將“口”字型的閉口結構設計，改為“U”型的托架配蓋板結構的開口型托架。圖3 為CNG 氣瓶及開口托架的三維模型。

采用開口托架結構，CNG 燃氣瓶和托架在流水線裝配比閉口托架簡單。也有利于CNG 氣路的布置和裝配。且開口托架的制作工藝較閉口托架簡單，有效地降低了成本。在CAE分析時，對其發(fā)生應力大的區(qū)域做加強，對應力小的區(qū)域做優(yōu)化。以下的分析結果是在優(yōu)化后的結構上進行的。

圖3 CNG 氣瓶及開口托架三維模型

2 對兩種托架做CAE 比對分析

自卸車工作時的振動頻率分布范圍較寬，并隨運行的工況而變化。但經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，主振動頻譜在5 ～12Hz，其第一階的固有頻率為8Hz，第二階為15Hz，且以8Hz 為主振頻。分別在上下、左右、前后三個方向加載，采用8 倍氣瓶重力約34810N 進行靜壓試驗，依據(jù)CAD 三維模型，進行CAE 有限元分析。對開口托架和閉口托架的模型作瞬態(tài)動力學CAE分析，分別從上下、左右、前后方向作靜壓模擬加載，結果如圖4 ～9 所示。

圖4 開口支架上下方向加載應力云圖

圖5 閉口支架上下方向加載應力云圖

在動力學分析的應力結果基礎上，進行疲勞壽命計算，得到的開口、閉口支架校核模型的疲勞壽命數(shù)值，其分析結果如圖10、11 所示。

圖6 開口托架左右方向加載應力云圖

圖7 閉口托架左右方向加載應力云圖

圖8 開口托架前后方向加載應力云圖

圖9 閉口托架前后方向加載應力云圖

圖10 開口托架疲勞分析應力云圖

圖11 閉口托架疲勞分析應力云圖

3 兩種托架試驗結果對比

3.1 靜壓試驗

3.1.1 靜壓試驗技術要求

（1）在靜壓試驗中支架最大變形量不允許超過13mm；

（2）氣瓶、支架及附件不允許出現(xiàn)裂紋、斷裂及永久性損壞。

3.1.2 支架安裝及試驗

試驗條件：兩種氣瓶支架組件分別固定，并依次在上下，左右，前后三個方向加載，大小為34810N 進行靜壓試驗。根據(jù)實際的斷裂點和CAE 分析選取測試點，圖12 和圖13 為試驗選取點的示意圖。

在1 ～2 測量點貼應變片測應變，在其余測量點加千分表測變形量。

圖12 開口托架（左）和閉口托架（右）應變測點示意圖

圖13 開口托架（左）和閉口托架（右）位移測點示意圖

3.1.3 靜壓試驗結果

（1）應力應變結果，以及試驗值和仿真值的對比（表1）。

表1 試驗測點應變及應力的試驗值及仿真值

（2）試驗位移結果，以及試驗值和仿真值的對比（表2）。

表2 位移測量點位移值的試驗值及仿真值

3.2 疲勞試驗

3.2.1 疲勞試驗技術要求

（1）30 萬次之內(nèi)支架樣件不允許出現(xiàn)裂紋及斷裂；

（2）氣瓶最大旋轉角不大于5°；

（3）氣瓶前后竄動量最大不超過5mm。

3.2.2 安裝及試驗

把開口和閉口托架裝配在車架兩側，車架固定在振動裝置上。試驗條件：將車架及兩種氣瓶支架組件固定在振動裝置上，輸入振動加速度為±1.5g 的正弦曲線，振動頻率8Hz，進行疲勞試驗。

測量點選取：根據(jù)初步分析結果，分別在開口托架方案和閉口托架方案各對應的選取4 個測量點，并貼應變片，通過測量點的應變來得到這些點的應力。

3.2.3 試驗結果

（1）開口托架36 萬次、閉口托架33 萬次，樣件出現(xiàn)裂紋及斷裂；（2）氣瓶最大旋轉角均為0.34°；（3）氣瓶前后竄動量最大均為2.2mm；（4）應力結果如表3 所示。

表3 測點的仿真與試驗應力值對比

4 分析結果

（1）根據(jù)CAE 分析及試驗結果得出，開口托架在靜壓試驗和疲勞試驗中的各項指標均優(yōu)于閉口托架。

（2）CAE 分析和試驗結果雖存在一定的差距，但差值較小，可以根據(jù)仿真結果作為今后繼續(xù)優(yōu)化設計托架的依據(jù)。

（3）原托架結構所選的材料能夠滿足仿真及試驗的要求，因此，開口托架仍選用原閉口托架的材料。

（4）該方案在經(jīng)過CAE 分析和試驗后，用于用戶試驗，市場反饋良好。