顧婷婷 康彬 董濤濤 唐英國(guó) 周文君

摘 要：為研究液化天然氣（LNG）供氣系統(tǒng)中框架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。利用hypermesh和ansys的聯(lián)合仿真，將優(yōu)化后的框架通過(guò)有限元分析進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果表明優(yōu)化減重后的LNG供氣系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是可行的，同時(shí)也為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元;液化天然氣;框架;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.017

0 引言

液化天然氣（LNG）供氣系統(tǒng)安裝在駕駛室后方汽車(chē)大梁上。供氣系統(tǒng)合理利用車(chē)輛的安裝空間，可以為車(chē)輛提供更多能源，增大車(chē)輛續(xù)航里程。同時(shí)供氣系統(tǒng)自身重量對(duì)車(chē)輛有較大影響，因此對(duì)供氣系統(tǒng)進(jìn)行減重有著重要的意義。減重主要考慮的是供氣系統(tǒng)中的框架部分，如何選擇更輕便但又滿(mǎn)足性能要求的框架結(jié)構(gòu)尤為重要。

通過(guò)有限元法對(duì)供氣系統(tǒng)的框架進(jìn)行力學(xué)分析，進(jìn)而從力學(xué)分析角度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為框架的減重提供有力的理論依據(jù)。為使產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具有競(jìng)爭(zhēng)性、經(jīng)濟(jì)性奠定基礎(chǔ) [1]。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

LNG雙氣瓶后置式框架總成固定在汽車(chē)的大梁上，其外圍框架是由不同尺寸的方鋼管焊接而成，四個(gè)鞍座固定在焊接架上來(lái)支撐LNG氣瓶。結(jié)合管材的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸，在原有的后置式雙氣瓶供氣系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，對(duì)框架進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減重的目的。具體方案如下：（1）頂部和兩側(cè)的方鋼管減薄，頂部的方鋼管由60×40×3mm改為60×40×2mm，兩側(cè)的方鋼管由60×60×3mm改為60×60×2mm;（2）鞍座底部板和鞍座上支撐組件底板厚度由6mm改為4mm;（3）取消頂層框架的加強(qiáng)筋。

2 框架有限元模型的建立

根據(jù)框架的實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)建立三維幾何模型。將幾何模型以STP的格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入到Hypermesh中，利用solid edit中的Boolean運(yùn)算將框架剛性的連接為一個(gè)整體，用3D網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，建立框架的有限元模型。其中由于整個(gè)框架的焊點(diǎn)很密集，所以可以用Geom功能面板下剛性連接法來(lái)代替焊點(diǎn)。

簡(jiǎn)化后的有限元模型289774個(gè)實(shí)體單元，95361個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，單元類(lèi)型：8節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID185;材料特性：材料密度為7.93kg/m3 ，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3[2]。

3 框架強(qiáng)度的有限元分析

將框架的有限元模型導(dǎo)入到ANSYS中，首先設(shè)置邊界條件，在底部固定梁與框架的接觸處設(shè)置全約束，即UX=0，UY=0，UZ=0。然后進(jìn)行載荷施加，垂直方向仿真汽車(chē)在不平路面上的振動(dòng)，水平方向仿真汽車(chē)急剎車(chē)或受到水平方向的沖擊。

對(duì)四個(gè)鞍座施加8倍雙氣瓶的重量，每個(gè)鞍座承受4倍的單瓶的重量，力的大小F=16000N。最后運(yùn)用ANSYS對(duì)整個(gè)框架的有限元模型分別進(jìn)行垂直受力和水平受力兩種情況的強(qiáng)度計(jì)算。圖1為垂直受力的等效應(yīng)力云圖，圖2為水平受力的等效應(yīng)力云圖，從計(jì)算結(jié)果可以看出優(yōu)化后框架的垂直受力的最大應(yīng)力值=68.2MPa，水平受力的最大應(yīng)力值為=109.4MPa ≤[]，優(yōu)化后框架在強(qiáng)度上滿(mǎn)足要求，說(shuō)明此優(yōu)化方案是可行的。

4 結(jié)論

根據(jù)分析的應(yīng)力分布結(jié)果可知，框架上所有點(diǎn)的應(yīng)力都未超過(guò)許用應(yīng)力，變形也滿(mǎn)足剛度設(shè)計(jì)要求。即優(yōu)化減重后的LNG供氣系統(tǒng)的框架是偏安全的，無(wú)論是從消除框架的應(yīng)力方面，還是從框架結(jié)構(gòu)方面都有減輕自重的余地，以免造成結(jié)構(gòu)笨重、材料浪費(fèi)。

利用有限元分析方法，在合理簡(jiǎn)化模型，正確加載與約束下，可以快速和深入地對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力分析，對(duì)不同方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)計(jì)算機(jī)得出的應(yīng)力值進(jìn)行比較，對(duì)各方案作出評(píng)價(jià)后可以從中進(jìn)行優(yōu)選。

靜力分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在以上有限元分析的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，以框架總重為目標(biāo)函數(shù)，以應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榧s束條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用到LNG供氣系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)中，在保證加工精度和可靠性的前提下，最大限度的節(jié)省材料，降低產(chǎn)品成本，提高經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]機(jī)械工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[3]張莉.ANSYS在拖車(chē)車(chē)架剛強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，1999，80（04）：34-37.

[4]王尚斌，孫宇，武凱.壓機(jī)框架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（04）：80-83.