重型卡車燃?xì)鈽?gòu)架優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

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摘要：一種匹配了CNG的自卸車，CNG氣瓶托架在用戶使用過程中出現(xiàn)裂紋，且這種氣瓶托架質(zhì)量較重。本文作者針對以上兩點(diǎn)對該托架做技術(shù)改進(jìn)。應(yīng)用CAE仿真分析其斷裂處的受力情況，對其結(jié)構(gòu)做優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明該方案滿足試驗(yàn)要求，且有效降低了托架重量。

關(guān)鍵詞：CNG氣瓶托架；CAE分析；靜壓試驗(yàn)；疲勞試驗(yàn)

近年來，隨著環(huán)保要求的嚴(yán)苛，并考慮運(yùn)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?xì)馔屑茏龅慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。某型號的CNG自卸卡車，CNG氣瓶固定在車架兩側(cè)，單側(cè)4個一組，共8個燃?xì)馄俊NG氣瓶較重，該車型配置的CNG單個瓶重約110kg，因此，燃?xì)馄客屑苁顷P(guān)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(biāo)。作者在設(shè)計(jì)之處選擇了“口”字型托架閉型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（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(yàn)和市場驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及對氣瓶的保護(hù)效果良好。但自卸車的工況復(fù)雜，經(jīng)常在條件惡劣的礦區(qū)作業(yè)，近來有部分燃?xì)馔屑艹霈F(xiàn)斷裂的情況。另外，燃?xì)馄吭谠撏屑苌喜灰装惭b，托架的質(zhì)量較大，制作工藝復(fù)雜成本較高，因此，需要對該零件做技術(shù)優(yōu)化，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，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。

1燃?xì)馄客屑艿慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過分析，將燃?xì)馄客屑芙Y(jié)構(gòu)做如下優(yōu)化：將“口”字型的閉口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改為“U”型的托架配蓋板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，CNG燃?xì)馄亢屯屑茉诹魉€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(yīng)力大的區(qū)域做加強(qiáng)，對應(yīng)力小的區(qū)域做優(yōu)化。以下的分析結(jié)果是在優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的。

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(yùn)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(jìn)行靜壓試驗(yàn)，依據(jù)CAD三維模型，進(jìn)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(xué)CAE分析，分別從上下、左右、前后方向作靜壓模擬加載，結(jié)果如圖4～9所示。在動力學(xué)分析的應(yīng)力結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行疲勞壽命計(jì)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(jié)果如圖10、11所示。

3兩種托架試驗(yàn)結(jié)果對比

3.1靜壓試驗(yàn)

3.1.1靜壓試驗(yàn)技術(shù)要求（1）在靜壓試驗(yàn)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(yàn)試驗(yàn)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(jìn)行靜壓試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際的斷裂點(diǎn)和CAE分析選取測試點(diǎn)，圖12和圖13為試驗(yàn)選取點(diǎn)的示意圖。在1～2測量點(diǎn)貼應(yīng)變片測應(yīng)變，在其余測量點(diǎn)加千分表測變形量。

3.1.3靜壓試驗(yàn)結(jié)果（1）應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，以及試驗(yàn)值和仿真值的對比（表1）。（2）試驗(yàn)位移結(jié)果，以及試驗(yàn)值和仿真值的對比（表2）。

3.2疲勞試驗(yàn)

3.2.1疲勞試驗(yàn)技術(shù)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(zhuǎn)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(yàn)把開口和閉口托架裝配在車架兩側(cè)，車架固定在振動裝置上。試驗(yàn)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(jìn)行疲勞試驗(yàn)。測量點(diǎn)選?。焊鶕?jù)初步分析結(jié)果，分別在開口托架方案和閉口托架方案各對應(yīng)的選取4個測量點(diǎn)，并貼應(yīng)變片，通過測量點(diǎn)的應(yīng)變來得到這些點(diǎn)的應(yīng)力。

3.2.3試驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)角均為0.34°；（3）氣瓶前后竄動量最大均為2.2mm；（4）應(yīng)力結(jié)果如表3所示。

4分析結(jié)果

（1）根據(jù)CAE分析及試驗(yàn)結(jié)果得出，開口托架在靜壓試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)中的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于閉口托架。（2）CAE分析和試驗(yàn)結(jié)果雖存在一定的差距，但差值較小，可以根據(jù)仿真結(jié)果作為今后繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)托架的依據(jù)。（3）原托架結(jié)構(gòu)所選的材料能夠滿足仿真及試驗(yàn)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(yàn)后，用于用戶試驗(yàn)，市場反饋良好。

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作者：干奇銀 單位：北京福田戴姆勒汽車有限公司技術(shù)中心