魏 平 ，王建軍 ,2，李 健

（1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002；2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004；3.蕪湖勤惠科技有限公司，安徽 蕪湖 241000）

求解車輛零部件疲勞壽命通常采用靜力學(xué)分析和求解單位載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與道路載荷疊加后形成的應(yīng)力時間歷程曲線[1]。液化天然氣LNG作為汽車燃料，具有低碳環(huán)保、費用低、易于貯存和運輸?shù)奶匦?，當前被普遍?yīng)用于工程車領(lǐng)域[2]。汽車輕量化進程中，氣瓶框架的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等都在進行對應(yīng)改進，會影響氣瓶組件安全。因此，優(yōu)化氣瓶框架結(jié)構(gòu)和輕量化會直接影響產(chǎn)品安全和企業(yè)經(jīng)濟效益[3]。

氣瓶滿重為800 kg，框架前后橫梁板材料為7075T6高強度航空用鋁合金，左右氣瓶鞍座為5083H111鋁合金板材，中間四塊連接板為6082鋁合金板，其他為610L板。產(chǎn)品及應(yīng)用場，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品及應(yīng)用場

1 模態(tài)分析

1.1 邊界條件

約束：約束氣瓶框架下底面2個轉(zhuǎn)動、2個移動共4個自由度；約束框架安裝孔六個自由度完全約束，如圖2所示，為分析用框架總成的幾何數(shù)據(jù)及有限元模型。

1.2 模態(tài)分析

1.2.1 固有頻率分析

引起框架振動源主要是車輛在行駛中的路面激勵，以及發(fā)動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激勵。但是，框架的低階模態(tài)對車的振動影響最大，因此盡量避免框架的固有頻率發(fā)生在低階模態(tài)，且避免與發(fā)動機激勵頻率或者路面激勵頻率的重疊，這樣既可減弱框架結(jié)構(gòu)的振動情況，又可提高整車穩(wěn)定性。

發(fā)動機激勵頻率的計算式為[1]

式中fr為發(fā)動機干擾頻率；j為諧次數(shù)，取值2；n為怠速時轉(zhuǎn)速，取平均值為1 200 r/min；z為發(fā)動機缸數(shù)，取值為4；t為沖程的2倍為8。

路面激勵頻率的計算式為[1]

式中ft為路面激勵頻率；v為車速，取平均值60 km/h；λ為搓板路路面波長平均值，取0.5 m。

依據(jù)式（1）、（2）計算，得到怠速時發(fā)動機運轉(zhuǎn)基頻率為20 Hz左右；路面激勵振動頻率為16.7 Hz左右。

1.2.2 前三階模態(tài)分析

對原始數(shù)據(jù)模型（圖2），進行前三階模態(tài)分析后，得到氣瓶框架結(jié)構(gòu)的主要信息（表1），和主要振型（圖3）?？梢缘玫角叭A模態(tài)振動頻率均高于固有頻率，不會產(chǎn)生共振的結(jié)果。

圖2 分析模型圖

圖3 前三階主要振型

表1 氣瓶框架前三階頻率

2 剛度分析

對原始數(shù)據(jù)模型（圖2），選定氣瓶和固定座的固定點，在X、Y、Z三軸及正負六個方向施加8 g加速度，進行剛度相對位移分析，得到氣瓶在滿載情況下相對位移（表2）和主剛度分析（圖4）。

圖4 六種位置剛度位移

表2 氣瓶與框架相對位移

3 強度分析

根據(jù)框架實際情況施加邊界條件，建立四種加載力場（表3），應(yīng)力云圖（圖5）?？蚣艿闹黧w材料以610 L為主，其抗拉強度為220 MPa，屈服強度為500 MPa。在（a）制動工況下，最大應(yīng)力為35.9 MPa,出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料610 L的屈服強度（510 MPa）；在（b）轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力為66.1 MPa，出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料5083H111的屈服強度（210 MPa）；在（c）制動和轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力為64.9 MPa，出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料5083H111的屈服強度（210 MPa）；在（d）垂直跳動工況下，最大應(yīng)力為46.1 MPa，出現(xiàn)在圖示安裝支架上，小于材料5083H111的屈服強度（210 MPa）。

圖 5 應(yīng)力云圖

表3 四種工況場的設(shè)置

仿真結(jié)果顯示最大應(yīng)力遠低于其抗拉強度，也低于屈服強度。這是可靠性分析的依據(jù)，但是也有突發(fā)斷裂的可能，必須進行耐久性實驗，在試驗臺或路跑實驗中出現(xiàn)了疲勞破壞再進行分析。部件的疲勞性破壞是在循環(huán)應(yīng)力作用下，局部應(yīng)力最大處可能會產(chǎn)生的微小裂紋，逐漸形成較大的可見裂紋，導(dǎo)致斷裂。所以，有必要進行低應(yīng)力疲勞破壞試驗。

4 小結(jié)

采用此種框架的結(jié)構(gòu)形式、材料選型及設(shè)計方法，模態(tài)分析均大于目標值25 Hz，剛度分析六個方向值均小于目標值13 mm，強度分析四種工況，應(yīng)力均低于對應(yīng)材料的屈服極限值。通過有限元分析，在常態(tài)下工作運行受力振動及疲勞壽命，確定了整體結(jié)構(gòu)滿足靜強度和疲勞強度要求，為后期再進行試驗平臺和實況路面試車運行提供了前期數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參照。