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(shí)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(diǎn)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(jià)格、環(huán)保、抗凍性方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。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(duì)石油依賴的最有效、最經(jīng)濟(jì)的途徑[1]。

由于重型發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行環(huán)境較差，故其氣瓶支架的強(qiáng)度是否符合要求對(duì)于保證車輛的正常運(yùn)行也起著重要作用。筆者根據(jù)企業(yè)具體需求，對(duì)某天然氣重型貨車氣瓶安裝支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真分析，判斷其靜強(qiáng)度與位移情況，利用分析結(jié)果對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性與輕量化改進(jìn)，最后利用試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的合理性。改進(jìn)方案運(yùn)用到實(shí)際車型生產(chǎn)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 初始方案分析

2.1 初始方案模型建立

整個(gè)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(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)135 100個(gè)，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(diǎn)耦合方式處理[2]，氣瓶間的橡膠支撐采用節(jié)點(diǎn)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(gè)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(dòng)、疲勞等系數(shù)的乘積，將其作為本產(chǎn)品的評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照國標(biāo)要求和支架的具體安置情況，分為3個(gè)工況對(duì)氣瓶支架進(jìn)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(gè)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)共6個(gè)自由度進(jìn)行約束。

2.2.2 分析結(jié)果

采用Abaqus軟件進(jìn)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(shí)，得到有限元分析應(yīng)力云圖(見圖1～3)。

2.3 模型驗(yàn)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(gè)方向加載，大小為8倍氣瓶重力，約為34 810 N進(jìn)行靜壓試驗(yàn)。靜壓試驗(yàn)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(duì)氣瓶支架選取相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)，在支架組件處于向上的工況下，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)粘貼應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)力，其余測(cè)量點(diǎn)加千分表測(cè)出變形量。支架最大變形試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)位移值 mm

根據(jù)應(yīng)變片測(cè)出關(guān)鍵點(diǎn)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(yàn)可知，在國標(biāo)要求的試驗(yàn)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(shí)，將變形、應(yīng)力仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，可以看出有限元模型分析結(jié)果與試驗(yàn)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(jìn)分析的基礎(chǔ)。

3 改進(jìn)方案分析

3.1 改進(jìn)方案確定

改進(jìn)方案主要從工藝性及輕量化兩個(gè)方面進(jìn)行。

原設(shè)計(jì)方案中，由于氣瓶安裝過程中需要將氣瓶逐個(gè)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(shí)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(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，考慮開口支架螺栓連接強(qiáng)度，采用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)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(shí)考慮采購制造因素，將支架彎板及上連接件厚度進(jìn)行減薄。經(jīng)過多次更改方案的結(jié)果對(duì)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(jìn)如圖5所示。

3.2 改進(jìn)方案的靜力分析

針對(duì)優(yōu)化后的方案，再按照標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)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(jìn)方案相對(duì)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(xiǎn)。同時(shí)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(jìn)方案試驗(yàn)驗(yàn)證

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

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)前后氣瓶支架在3個(gè)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(jìn)方案的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的吻合度較高，相對(duì)誤差在工程允許范圍內(nèi)[4]，印證了改進(jìn)分析的正確性。

表4 靜壓試驗(yàn)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(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)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(jìn)方案試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的正確性。利用有限元分析手段，避免了方案改進(jìn)的盲目性，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本、試驗(yàn)費(fèi)用,縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，為順利生產(chǎn)提供了支撐[5,6]。

同時(shí)需要認(rèn)識(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)支撐。限于本項(xiàng)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(huì)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(dòng)態(tài)有限元分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),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(qiáng)度分析與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械強(qiáng)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(jì)優(yōu)化[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2004(2):5-7.

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