楊樹(shù)斌，馬志鵬，夏 莉，李 蔚，李 偉，許海洋，劉培啟

(1．廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東佛山 528251;2．大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院，遼寧大連 116024)

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG)是一種熱值高、價(jià)格低的清潔能源。隨著燃油成本、人力成本的不斷攀升以及航空運(yùn)輸業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，傳統(tǒng)交通運(yùn)輸業(yè)受到了巨大的沖擊。在傳統(tǒng)運(yùn)輸業(yè)不斷尋求降低運(yùn)營(yíng)成本的機(jī)遇下，以LNG為燃料的液化天然氣汽車(chē)以其燃料價(jià)格低廉、清潔環(huán)保、續(xù)航里程長(zhǎng)等方面的優(yōu)勢(shì)，而受到世界各國(guó)汽車(chē)行業(yè)的普遍關(guān)注，成為企業(yè)繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)活力的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。車(chē)載LNG氣瓶作為L(zhǎng)NGV車(chē)載燃料系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，也受到廣泛關(guān)注，一些研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)、高校加大了研發(fā)的力度［1－3］。

Sang－Kook Yun等［4］基于有限元理論方法對(duì)車(chē)載低溫絕熱氣瓶進(jìn)行熱應(yīng)力分析，Sang－Kook Yun等人通過(guò)在有限元軟件中設(shè)置接觸來(lái)模擬氣瓶的一端固定一端滑移的固定方式。李陽(yáng)等［5］對(duì)車(chē)載LNG氣瓶受慣性載荷的作用下進(jìn)行應(yīng)力分析，并且在其應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)力分類(lèi)和評(píng)定。徐童非等［6］采用ANSYS軟件對(duì)車(chē)載LNG氣瓶在三種不同工況下進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，實(shí)現(xiàn)氣瓶支架的輕量化，優(yōu)化后可減少大量經(jīng)濟(jì)成本，提高效益。李萬(wàn)暉［7］對(duì)車(chē)載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，并對(duì)車(chē)載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)、選材、絕熱性能和車(chē)輛處于不同工況下氣瓶?jī)?nèi)筒的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行研究。

上述研究推動(dòng)了低溫絕熱氣瓶的發(fā)展，為氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了手段?？偨Y(jié)相關(guān)進(jìn)展可以看出，車(chē)載低溫絕熱氣瓶的研究逐漸從靜態(tài)過(guò)渡到了動(dòng)態(tài)分析。一方面由于靜力學(xué)分析已經(jīng)較為成熟，另一方面，低溫絕熱氣瓶振動(dòng)破壞是其實(shí)際運(yùn)行中主要的破壞形式。產(chǎn)品檢驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)的目的就是模擬檢驗(yàn)氣瓶在汽車(chē)運(yùn)行條件下的振動(dòng)響應(yīng)情況，除了驗(yàn)證支撐結(jié)構(gòu)和管路系統(tǒng)的耐久性，還要驗(yàn)證在路面激振頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)是否發(fā)生共振。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，低溫絕熱氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)通過(guò)率較低［8］，是影響產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。因此研究車(chē)載氣瓶的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，了解其共振頻率和振型特征，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)載氣瓶結(jié)構(gòu)，避免因共振引起的破壞具有重要意義。目前關(guān)于氣瓶這方面的研究較少且都是針對(duì)小容積氣瓶，主要包括:韓國(guó)學(xué)者［9］采用有限元分析軟件MSC/MARC分別對(duì)某公司生產(chǎn)的車(chē)載LNG氣瓶進(jìn)行了傳熱分析和熱應(yīng)力分析，同時(shí)還對(duì)氣瓶的共振頻率進(jìn)行了模擬計(jì)算，算出共振頻率遠(yuǎn)超50 Hz。杜明廣［10］著重研究了車(chē)載LNG氣瓶在設(shè)計(jì)壓力下的靜力學(xué)分析、熱分析和失效分析，選擇不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的應(yīng)力線(xiàn)性化校核方法，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)分析，并對(duì)氣瓶裝配模型進(jìn)行了模態(tài)分析，初步判斷了其振動(dòng)特性。劉德玉［11］對(duì)車(chē)載LNG氣瓶進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并考慮儲(chǔ)液量的不同，對(duì)內(nèi)徑500 mm的車(chē)載LNG氣瓶進(jìn)行了模態(tài)分析，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行車(chē)載LNG氣瓶的諧響應(yīng)分析，得到了氣瓶的內(nèi)膽在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，對(duì)照模態(tài)分析結(jié)果，確定了車(chē)載LNG氣瓶的共振頻率。

隨著大型重卡汽車(chē)對(duì)燃料儲(chǔ)存設(shè)備容積要求的不斷加大，國(guó)內(nèi)部分廠家正在研制超出標(biāo)準(zhǔn)允許容積范圍的產(chǎn)品，然而超大容積氣瓶抗振情況如何、傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)是否能夠滿(mǎn)足要求等卻鮮有報(bào)道。本文針對(duì)公稱(chēng)容積超過(guò)國(guó)標(biāo)范圍的1350 L圓柱型氣瓶，利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從而獲得其振動(dòng)特性數(shù)據(jù)，相關(guān)結(jié)果可對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)的大容積LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 車(chē)載LNG氣瓶的簡(jiǎn)介

車(chē)載LNG氣瓶主要由內(nèi)膽、外殼、進(jìn)出液系統(tǒng)、前支撐頸管組件、后支撐軸、后支撐板以及內(nèi)膽與外殼之間多層纏繞的絕熱材料組成。內(nèi)膽是承壓元件，內(nèi)部還接入了加注噴淋管、液位探頭等。外殼起保護(hù)內(nèi)部各構(gòu)件作用，并支撐起整個(gè)瓶體。本文所研究的超大容積氣瓶主要尺寸包括:內(nèi)膽的公稱(chēng)直徑為950 mm、筒體長(zhǎng)度為1600 mm，外殼的公稱(chēng)直徑為1000 mm、筒體長(zhǎng)度為1800 mm，內(nèi)封頭是橢圓封頭，外封頭是蝶形封頭，內(nèi)膽的筒體和封頭名義厚度為6mm，外殼的筒體和封頭名義厚度為5 mm。其結(jié)構(gòu)示意圖(省略?xún)?nèi)部管路系統(tǒng))如圖1所示。

1．1 車(chē)載LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)

圖1 車(chē)載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖

1．2 車(chē)載LNG氣瓶的發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)的車(chē)載LNG氣瓶一般為小容積氣瓶，公稱(chēng)容積在600 L以?xún)?nèi)［12］。隨著LNG汽車(chē)對(duì)于汽車(chē)重量以及長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)囊?，?guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)從2015年開(kāi)始加大對(duì)大容積車(chē)載LNG氣瓶的研究，目前市面上已經(jīng)逐漸開(kāi)始使用公稱(chēng)容積為1000 L的大容積車(chē)載氣瓶。而且隨著重型卡車(chē)?yán)m(xù)航能力要求的不斷提高，公稱(chēng)容積1000 L以上的超大容積氣瓶也已處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段。

2 車(chē)載LNG氣瓶的模態(tài)分析

2．1 車(chē)載LNG氣瓶的模型建立

本氣瓶的設(shè)計(jì)溫度為－196℃，最高工作壓力均為1．59 MPa，絕熱方式采用高真空多層纏繞式，內(nèi)外膽采用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10，密度為7930 kg/m3，屈服強(qiáng)度為205 MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa，彈性模量為209 GPa，泊松比為0．278。根據(jù)尺寸參數(shù)和材料屬性對(duì)車(chē)載LNG氣瓶建立整體模型，模型對(duì)夾層保溫材料以及不承載壓力的管路進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后如圖2所示，實(shí)體選用solid185單元，對(duì)于車(chē)載LNG氣瓶的封頭與封頭補(bǔ)強(qiáng)板之間、車(chē)載LNG氣瓶的后支撐處采用接觸設(shè)置，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖3所示。

圖2 車(chē)載LNG氣瓶模型

圖3 車(chē)載LNG氣瓶有限元模型

采用模態(tài)分析方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步動(dòng)態(tài)分析，該方法是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)固有頻率以及振型的一種技術(shù)，主要分析結(jié)構(gòu)本身的基本動(dòng)力特性［13］。Block Lanczos法［14］是一種功能強(qiáng)大的方法，可以在絕大多數(shù)場(chǎng)合使用，經(jīng)常應(yīng)用于具有實(shí)體單元或殼單元的模型中，可以很好的處理剛性陣型，使用于提取中、大型模型(50000～100000個(gè)自由度)，提取超過(guò)40階模態(tài)時(shí)Block Lanczos法很有效，在具有或沒(méi)有初始截點(diǎn)時(shí)同樣有效(允許提取高于某個(gè)給定頻率的振型)。本文對(duì)氣瓶鋼帶固定的位置施加全約束，約束區(qū)域?yàn)閳D2外殼筒體上的兩個(gè)環(huán)面，采用Block Lanczos法進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。

2．2 車(chē)載LNG氣瓶的模態(tài)分析結(jié)果及分析

表1 氣瓶的前十階固有頻率

模態(tài)分析得到氣瓶的前十階固有頻率如表1所示。

由于氣瓶的外殼由鋼帶固定在支座上，所以模態(tài)分析中外殼的振動(dòng)幅度很小，變形不明顯。加之內(nèi)膽處于簡(jiǎn)支狀態(tài)，實(shí)際失效破壞都是由于內(nèi)膽振動(dòng)引起，因此本文提取振型時(shí)將外殼隱藏，只顯示內(nèi)膽振型，以便研究其振動(dòng)特性?？紤]到高階振動(dòng)較難引起，本文提取了車(chē)載LNG氣瓶?jī)?nèi)膽的前6階振型，對(duì)應(yīng)的位移矢量圖(mm)如圖4所示。通過(guò)表1以及圖4可得:

圖4 車(chē)載LNG氣瓶前6階振型圖

1)氣瓶一階固有頻率為30．045 Hz，振型為徑向振動(dòng)，最大變形的位置在內(nèi)膽筒體;氣瓶二階固有頻率為58．247 Hz，振型為軸向竄動(dòng)。

2)氣瓶三階固有頻率為97．934 Hz，振型為X方向擺動(dòng)，且前支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大;氣瓶四階固有頻率為97．939 Hz，振型為Z方向擺動(dòng)，且前支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大;氣瓶五階固有頻率為169．110 Hz，振型為X方向擺動(dòng)，且前支撐變形較小，后支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大;氣瓶六階固有頻率為169．160 Hz，振型為Z方向擺動(dòng)，且后支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大。

振動(dòng)試驗(yàn)的激振頻率范圍是8～40 Hz，該范圍是根據(jù)汽車(chē)行駛過(guò)程中實(shí)際振動(dòng)情況確定的，若發(fā)現(xiàn)在這一頻率范圍內(nèi)有共振的，應(yīng)更改氣瓶設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。而所研究氣瓶的一階固有頻率處于該范圍內(nèi)，另外二階固有頻率也比較接近該范圍，為了進(jìn)一步確認(rèn)氣瓶是否會(huì)因?yàn)樵搩呻A共振導(dǎo)致破壞，本文對(duì)氣瓶進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。

3 車(chē)載LNG氣瓶的諧響應(yīng)分析

當(dāng)系統(tǒng)受到的載荷隨時(shí)間而正弦變化時(shí)，為確定其發(fā)生的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的分析叫做諧響應(yīng)分析［15］。諧響應(yīng)分析與模態(tài)分析都是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，通過(guò)模態(tài)分析所得各階固有頻率來(lái)估計(jì)所施加載荷的頻率范圍，一般諧響應(yīng)分析得到的系統(tǒng)共振頻率與其各階固有頻率相同，因此諧響應(yīng)分析也是驗(yàn)證模態(tài)分析準(zhǔn)確性的一種方法。本文所分析的車(chē)載低溫絕熱氣瓶在使用中會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)和路面不平度等激勵(lì)的影響，可能產(chǎn)生多個(gè)不同頻率范圍的簡(jiǎn)諧振動(dòng)激勵(lì)，據(jù)此對(duì)氣瓶進(jìn)行以下諧響應(yīng)分析。

根據(jù)2．2的模態(tài)分析可以看出氣瓶的固有頻率在30 Hz到212 Hz之間，因此通過(guò)對(duì)氣瓶?jī)?nèi)表面施加頻率為0．1～250 Hz的簡(jiǎn)諧載荷。采用ANSYS中提供的模態(tài)疊加法來(lái)進(jìn)行氣瓶的諧響應(yīng)分析，選擇氣瓶?jī)?nèi)膽筒體中間部分的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖1中節(jié)點(diǎn)N)作為響應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)，得到的位移響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 氣瓶中間節(jié)點(diǎn)N的位移響應(yīng)

圖5 的縱坐標(biāo)為氣瓶位移響應(yīng)的絕對(duì)值，再對(duì)照模態(tài)分析的結(jié)果可以得到:

(1)氣瓶分別在頻率為58 Hz、97 Hz、170 Hz附近位移響應(yīng)出現(xiàn)激增現(xiàn)象，這分別對(duì)應(yīng)模態(tài)分析得到的二階、三階(四階)、五階(六階)固有頻率，說(shuō)明模態(tài)分析中得到氣瓶的固有頻率和諧響應(yīng)分析得到的共振頻率是一致的。

(2)氣瓶的軸向位移響應(yīng)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向，如圖5(b)所示在二階固有頻率附近發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致y方向(軸向)的位移變形超過(guò)13mm，這與2．2模態(tài)分析中氣瓶的二階振型(軸向竄動(dòng))相對(duì)應(yīng)，同樣地，其他高階固有頻率附近的共振也與各自模態(tài)振型相對(duì)應(yīng)，這里不再累述。

(3)由模態(tài)分析可知，氣瓶的一階固有頻率在30 Hz附近，但是根據(jù)圖5可以看出，氣瓶在一階固有頻率附近未發(fā)生較大的共振現(xiàn)象，因此雖然氣瓶的一階固有頻率比較低，容易發(fā)生振動(dòng)，但是實(shí)際并不會(huì)因發(fā)生共振而導(dǎo)致位移變形過(guò)大。

(4)氣瓶在二階固有頻率附近發(fā)生共振時(shí)位移響應(yīng)達(dá)到最大，而高階固有頻率附近發(fā)生的共振明顯減小，這是由于振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨著振動(dòng)階次的升高而增加，且激發(fā)高階振動(dòng)的能量逐漸衰減，所以振動(dòng)不再容易發(fā)生，位移響應(yīng)也隨之減小。同時(shí)氣瓶二階振型為內(nèi)膽沿軸向固定端產(chǎn)生明顯竄動(dòng)，有可能造成后支撐桿和支撐板分離導(dǎo)致內(nèi)膽脫落。因此我們?cè)趯?duì)LNG車(chē)載氣瓶進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別注意避開(kāi)出現(xiàn)二階固有頻率值，從而避免氣瓶發(fā)生共振。

(5)氣瓶三階(四階)、五階(六階)模態(tài)均表現(xiàn)為氣瓶?jī)?nèi)膽以軸向支撐為固定點(diǎn)發(fā)生擺動(dòng)，雖然頻率較高不易發(fā)生，但是振幅最大的位置位于內(nèi)膽開(kāi)孔區(qū)附近，是氣瓶結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)注意用增加補(bǔ)強(qiáng)圈厚度等方法提高這些部位的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)超大容積車(chē)載LNG氣瓶進(jìn)行模態(tài)分析，分別獲得了各階固有頻率以及各階振型，并經(jīng)過(guò)諧響應(yīng)分析后得到了氣瓶的位移響應(yīng)曲線(xiàn)，結(jié)合兩者的數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析后可得到以下結(jié)論:

(1)氣瓶的一階固有頻率雖然比較低，容易發(fā)生振動(dòng)，但是實(shí)際并不會(huì)因發(fā)生共振而導(dǎo)致位移變形過(guò)大。

(2)氣瓶二階固有頻率下發(fā)生共振時(shí)位移響應(yīng)達(dá)到最大，且其振型為內(nèi)膽沿軸向固定端產(chǎn)生明顯竄動(dòng)，容易導(dǎo)致內(nèi)膽脫落，在氣瓶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證此共振點(diǎn)不在8～40 Hz內(nèi)，避免車(chē)載時(shí)發(fā)生共振。

(3)隨著模態(tài)階次的增加，氣瓶固有頻率增大，共振很難發(fā)生，但是氣瓶在三、四、五、六階頻率下發(fā)生振動(dòng)時(shí)氣瓶前后軸向支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振動(dòng)振幅最大，可能引起氣瓶失效，在氣瓶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中也應(yīng)當(dāng)予以重視。