申曉霞，胡志權(quán)，樊于朝，蒙富強(qiáng)，夏婷婷

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輕量化LNG供給系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)與分析

申曉霞，胡志權(quán)，樊于朝，蒙富強(qiáng)，夏婷婷

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

論文基于用戶對重卡輕量化的需求，介紹了一種在不影響安全性能情況下的輕量化LNG供給系統(tǒng)框，對重點(diǎn)受力部件進(jìn)行靜態(tài)分析，并利用CAE軟件建立有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保輕量化框架在自重輕的情況下滿足使用強(qiáng)度滿足要求。

重卡；LNG供給系統(tǒng)框架；CAE

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，車用能源的供需矛盾日益緊張，石油的大量消耗和汽車尾氣的大量排放又加重了我國的環(huán)保壓力，LNG汽車以其綠色環(huán)保性、安全性能高，價(jià)格低，儲(chǔ)存密度大，續(xù)駛里程長，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)[1]。LNG供給系統(tǒng)框架，主要采用各類矩形鋼管、槽型鋼以及加強(qiáng)筋板焊接而成，用于支撐、固定LNG氣瓶、汽化器、緩沖罐、管路系統(tǒng)及其他附件，并將LNG供給系統(tǒng)與車架連接?；谟脩魧φ囕p量化的需求，在不影響安全性能情況下的輕量化LNG供給系統(tǒng)框架也成為各整車廠家降低整車自重的一種關(guān)鍵技術(shù)。本文根據(jù)重卡用LNG車載氣瓶的實(shí)際使用情況，對重點(diǎn)受力部件進(jìn)行靜態(tài)分析，設(shè)計(jì)出一種輕量化的LNG供給系統(tǒng)框架，并利用CAE軟件建立其有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定輕量化框架在自重輕的情況下滿足使用強(qiáng)度滿足要求。

2 輕量化LNG供給系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.1 輕量化LNG供給系統(tǒng)框架應(yīng)用分析

本輕量化LNG供給系統(tǒng)框架下部為壓型槽鋼與加強(qiáng)板焊接而成的副梁總成1，可通過分塊式連接板將整個(gè)框架固定在車架上，實(shí)現(xiàn)供給系統(tǒng)在重卡車架上得固定。上層氣瓶總成6與下層氣瓶總成8分別通過通過鞍座4與緊固帶5固定在框架總成7上，緩沖罐總成3、汽化器總成9通過相應(yīng)的支架固定在框架總成7上，加液口、壓力表等各類附件固定在加液面板2上，加液面板通過栓接固定在框架總成上，斜撐10為車輛緊急制動(dòng)時(shí)供給系統(tǒng)向前沖擊的輔助支撐，如圖1所示。

1-副梁總成 2-加液面板 3-緩沖罐總成 4-鞍座 5-緊固帶 6-上層氣瓶總成7-框架總成 8-下層氣瓶總成 9-汽化器總成 10-斜撐

2.2 輕量化LNG供給系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際使用狀況及產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一款輕量化框架，具體結(jié)構(gòu)如圖2，對部件1-14分別賦予不同的材料。

圖2 輕量化LNG供給系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

3 LNG供給系統(tǒng)框架的應(yīng)力分析

梁某截面受到的最大正應(yīng)力σ為：

其中，為最大彎矩，y為梁外形結(jié)構(gòu)到中性軸的最大距離，I為梁的截面慣性矩，W是梁的抗彎截面模量，其只與截面的形狀、尺寸有關(guān)。

LNG供給系統(tǒng)框架主要的承重梁均可簡化為矩形鋼管，其截面參數(shù)如圖3所示。

圖3 矩形鋼管截面圖

則矩形鋼管的截面慣性矩I、W為：

對于矩形鋼管截面，其中部剪切應(yīng)力可看成是均布的，所以其剪切應(yīng)力可由以下公式計(jì)算：

其中，F為梁某位置所受到的剪力。

由于梁同時(shí)承受剪力和彎矩，所以其應(yīng)力按照下面公式計(jì)算：

式中，σ為材料屈服極限；1為疲勞系數(shù)，1=1.2~1.4；2為疲勞系數(shù)，2=1.8~2.2。

4 CAE校核

4.1 有限元模型建立

本文采用CATIA三維建模軟件對上述的輕量化LNG供氣系統(tǒng)進(jìn)行建模，利用HyperMesh有限元分析軟件讀取框架的幾何模型，并進(jìn)行單元網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格品質(zhì)的好壞，直接決定了分析的精度，在HyperMesh軟件中，可以很好地控制網(wǎng)格品質(zhì)。劃分的網(wǎng)格，選用交互式。交互式的網(wǎng)格，允許在網(wǎng)格劃分結(jié)束后，通過修改參數(shù)來改變網(wǎng)格大小和分布[2]。

劃分完成的LNG供給系統(tǒng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，共有373379個(gè)單元和296116個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元平均尺寸為8mm。各結(jié)構(gòu)件性能參數(shù)見表1。

表1 LNG供給系統(tǒng)框架有限元模型材料參數(shù)屬性

4.2 各種工況下的有限元分析

為了提高模型求解效率方面，在實(shí)際進(jìn)行分析時(shí)，對模型做出一定的簡化。將LNG瓶采用質(zhì)量單元模型代替，單個(gè)氣瓶（加滿液）質(zhì)量為472kg。由于LNG氣瓶屬于壓力容器，對LNG氣瓶框架進(jìn)行模擬實(shí)際極限工況時(shí)，約束副梁兩端節(jié)點(diǎn)的自由度123456，并根據(jù)實(shí)際工況對LNG供給系統(tǒng)框架進(jìn)行加載，具體加載方式根據(jù)LNG氣瓶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來確定，如表2所示。采用Radioss進(jìn)行求解，在后處理工具HyperView中打開求解結(jié)果[3]，即可看到各工況時(shí)框架的受力情況。

表2 各極限工況加載方式

4.2.1 垂向沖擊工況分析

LNG供給系統(tǒng)框架在垂向沖擊工況下的應(yīng)力如圖5所示：

圖4 最大靜壓力工況下的應(yīng)力圖

從圖4可以看出，框架的最大應(yīng)力發(fā)生位置如圖5所示，最大應(yīng)力值為121.4MPa，安全系數(shù)為2.84，滿足材料的性能要求。

4.2.2 制動(dòng)工況

此工況發(fā)生在車輛緊急制動(dòng)時(shí)，在此工況進(jìn)行CAE分析，得到LNG供給系統(tǒng)框架的應(yīng)力如圖5所示：

圖5 制動(dòng)工況下的應(yīng)力圖

在制動(dòng)工況下，忽略螺栓周圈應(yīng)力，取次大應(yīng)力，其發(fā)生位置如圖5所示，最大應(yīng)力值為156.6MPa，安全系數(shù)為2.20，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 轉(zhuǎn)彎工況

在轉(zhuǎn)彎工況下，忽略焊縫局部應(yīng)力，LNG供給系統(tǒng)框架最大應(yīng)力發(fā)生位置如圖6所示，最大應(yīng)力值為254.7MPa，安全系數(shù)為1.35，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力圖

根據(jù)上面對3中工況的分析結(jié)果，三種工況下的應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，證明本輕量化LNG供給系統(tǒng)框架雖然降低了自身重量，但仍能滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

汽車輕量化設(shè)計(jì)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及新材料的選用，并加以先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析方法在汽車輕量化設(shè)計(jì)中至關(guān)重要[4]。

本文通過對后背式雙瓶LNG供給系統(tǒng)框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采取局部加強(qiáng)、局部保護(hù)的措施，并選用高性能材料，通過CAE分析驗(yàn)證，最終滿足了設(shè)計(jì)要求。目前該LNG供給系統(tǒng)框架目前已經(jīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)了批產(chǎn)。

[1] 姚鑫,王凱明.LNG汽車的發(fā)展研究[J].價(jià)值工程,2014年第1期: 45-46.

[2] 陳傳增.基于Hypermesh有限元分析的橋殼輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014年第1期:60-64.

[3] 陳明,周城.某型號摩托車車架有限元分析[J].裝備制造技術(shù),2012年第7期:43-45.

[4] 張文博.重型商用汽車車架輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2012年第9期:18-22.

Design and Analysis of Lightweight LNG Supply System ramework

Shen Xiaoxia, Hu Zhiquan, Fan Yuchao, Meng Fuqiang, Xia Tingting

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Shaanxi Xi'an 710200 )

Based on the user's demand for lightweight heavy-duty trucks, this paper introduces a LNG supply system framework. It performs static analysis on key components, and then builds a finite element model by CAE software to insure that the lightweight frame meets the strength of use.

heavy-duty truck; LNG supply system framework; CAE

U462

A

1671-7988(2018)21-205-03

U462

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1671-7988(2018)21-205-03

申曉霞，畢業(yè)于山東大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.069