中圖分類號：U46 收稿日期：2025-05-15 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.005

Finite Element Analysis of the Support Structure for Heavy-Truck Hydrogen Storage Cylinders

Xie Yichen1Niu Zheng1Wang Xinyu2Fu MinbolYang YulinglZhao Yalei1 1.Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 23oo31，China 2.WeichaiPower Co.，Ltd.，Weifang，China

Abstract：Ascriticalload-bearingcomponentsofhydrogenstoragesystemsforheavy-dutytrucks，themechanicalperformanceof thehydrogencylinderbundlesupportstructuredirectlyimpactsthesafeandstableoperationofteentiresystem.Thisstudyemployfniteelementanalysistoestablishasiulationmodelofthehydrogencyldersupportstructure.AsystematicinvestigationwascoductedonitsfirstsiderodalracteristiaturalfqucydistrbutiopaesndsoacebioAcelerationsctralde sity（ASD）responsewasevaluatedusingstandardroadexcitationspectra，whilestressfielddistributionanddeformation-sensitive zonesofthesupportstructurewereanalyzedundervariousinertialloadingconditions.Structuraltressintegritywasassessdthrough plasticcollpseandlocaloverstraincriteria.Theresearchoutcomesprovideesentialdatareferencesforvibrationsuppressiondesign and stress intensity optimization of on-board hydrogen storage equipment.

Keywords：Heavy-truck hydrogen storagesystem;Support structure;FEA;Load-bearingreliabilityanalysis

1前言

氫燃料汽車憑借其零碳排、高能量密度和高效補(bǔ)能等優(yōu)勢，正成為新能源汽車發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)1]，安全高效的氫儲運(yùn)技術(shù)是氫燃料汽車?yán)玫年P(guān)鍵[2]。

在復(fù)雜載荷作用下車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)典型承載工況包括高壓介質(zhì)引起的準(zhǔn)靜態(tài)載荷、外部沖擊載荷及路面譜激勵引發(fā)的寬頻振動等[3]。作為車架-儲氫模塊的力學(xué)傳遞部件，支撐結(jié)構(gòu)需要在保證結(jié)構(gòu)剛度的前提下，有效降低振動荷載對儲氫系統(tǒng)的影響。

在移動式壓力容器支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，學(xué)界已取得系列研究進(jìn)展：徐童非等4設(shè)計(jì)的新型的LNG輕量化支架實(shí)現(xiàn)減重 22.5% ；孫晨浩等[5]和高慶等[6基于變密度法對LNG車載氣瓶支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和響應(yīng)面優(yōu)化，優(yōu)化后支架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和質(zhì)量分別降低 26.54% 和 27.52% ；劉夢潔等7運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)尺寸優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)對管束式集裝箱框架結(jié)構(gòu)的輕量化改進(jìn)，并結(jié)合顯示動力學(xué)模擬揭示側(cè)翻撞擊工況下的漸進(jìn)失效機(jī)理。以上研究雖取得顯著成果，但大多為LNG氣瓶支架，針對重卡的車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的專項(xiàng)研究比較欠缺。

為探究本課題重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)方案的承載可靠性，驗(yàn)證其在各行駛工況下的安全服役規(guī)律，本文建立有限元模型研究支撐結(jié)構(gòu)的自由振動模態(tài)、隨機(jī)振動功率譜分析和在慣性載荷下的靜力學(xué)響應(yīng)特性。研究成果彌補(bǔ)了車載儲氫IV瓶支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究空白，可為氫能運(yùn)輸裝備的振動抑制拓?fù)鋬?yōu)化與疲勞壽命預(yù)測奠定力學(xué)分析基礎(chǔ)。

2有限元建模

根據(jù)課題實(shí)際選用裝車工況，某型重卡車載儲氫系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)由1組 70MPa 儲氫IV型瓶的鞍座和支撐架構(gòu)成，主體結(jié)構(gòu)材料為Q235B鋼。對鞍座和方鋼焊接處等結(jié)構(gòu)不連續(xù)和應(yīng)力集中部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，保證計(jì)算精度同時提高計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分有2598840個節(jié)點(diǎn)，622036個單元。網(wǎng)格質(zhì)量為0.79，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)幾何模型及網(wǎng)格劃分

3有限元結(jié)果與分析

3.1模態(tài)分析

本文采用BlockLanczos法對車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，使用稀疏矩陣方程求解器，求解速度快、精度高。通過模態(tài)分析獲得的重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，不僅是評價(jià)支撐結(jié)構(gòu)動力特性的重要參考依據(jù)，也是其他更進(jìn)一步動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析在支架底部施加固定約束，方鋼間設(shè)置Bonded接觸。

重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)前6階固有頻率集中分布在 10～42Hz 范圍內(nèi)。由于結(jié)構(gòu)具有對稱性，1、2階固有頻率相差不大，分別為 10.34Hz 和 13.97Hz ，振型分別為一階橫向彎曲和橫向扭轉(zhuǎn)，最大變形位置出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處和頂部支撐架中部，位置參考圖1;3、4、5階固有頻率相差不大，分別為 33.79Hz，34.51Hz 和34.94Hz 。3階振型為橫向彎曲，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。4階振型為縱向扭轉(zhuǎn)，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。5階振型為二階縱向扭轉(zhuǎn)，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。6階固有頻率為41.06Hz ，振型為縱向竄動，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。

重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)模型的固有頻率隨著模態(tài)階數(shù)的增加而增大，模態(tài)振型是由縱向和橫向振動組合而成的多波多維振動。大部分振型呈現(xiàn)出正弦波的彎曲模態(tài)，大變形位置主要集中在鞍座上。模型的前6階固有頻率均在 10～42Hz 范圍內(nèi)，有效質(zhì)量系數(shù)79.46% ，參與振型足夠。此外，各階模態(tài)的有效質(zhì)量決定了其在振動系統(tǒng)中的重要程度，儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)1階固有頻率和2階固有頻率的模態(tài)質(zhì)量最大，占總質(zhì)量的99% 以上，外界存在相同頻率的微小激勵就可能引起較大的共振現(xiàn)象。大多數(shù)振型的最大變形位置位于鞍座處，主要原因是鞍座處結(jié)構(gòu)較薄，剛度較小，容易發(fā)生較大變形。

3.2隨機(jī)振動分析

隨機(jī)振動分析是基于功率譜密度的譜分析。由于路面不平整，重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)在行駛過程中產(chǎn)生的隨機(jī)振動可能導(dǎo)致鋼架變形、連接件松脫等服役失效問題。通過隨機(jī)振動仿真分析可預(yù)測系統(tǒng)在路譜下的隨機(jī)振動響應(yīng)，分析系統(tǒng)的服役穩(wěn)定性。本文參考GB/T7031—2005《機(jī)械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報(bào)告》[8]中的路面加速度功率譜密度（power spectral densityPSD）：

G_a（n）=（2πn）⁴G_d（n）

式中， G_a（n） 為加速度 PSD，m^-1;n 為空間頻率， m^-1 ·G_d（n） 為位移 PSD，m³ 。

將式（1）空間相關(guān)的加速度PSD轉(zhuǎn)化為時間相關(guān)的加速度PSD，則：

G_q（f）=16π⁴n_c²f²vG_d（n_c）

式中， G_q（f） 為時間相關(guān)加速度PSD， （m/s²）²/Hz;n_c 為倍頻程中心空間頻率， m^-1;v 為車輛行駛速度，取 54km/h ·f 為時間頻率， 用以下公式求取：

f=n_cv

選擇B級（混凝土路）和D級（碎石路）道路為研究對象，參考GB/T7031—2005《機(jī)械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報(bào)告》提供的不同道路位移功率譜密度的幾何均值（假設(shè)速度功率譜密度是常數(shù)）。

由于車輛自帶減震系統(tǒng)，傳遞到重卡儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)上的路面激勵存在衰減，本文取車輛減震系統(tǒng)的密度衰減系數(shù) 70% 確定衰減后的時間相關(guān)的加速度PSD，兩種路面下的 G_q（f） 如表1所示。輸入各頻率及對應(yīng)加速度PSD，模擬重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)分別受B、D路面激勵產(chǎn)生隨機(jī)振動的響應(yīng)。 1σ 下（置信概率為68.3% ）結(jié)構(gòu)的豎直方向振動變形和等效Mises應(yīng)力云圖如圖2、圖3所示。兩種路況的豎直方向振動變形最大值均位于支撐結(jié)構(gòu)頂端橫梁中部，B級路面豎直方向上最大振動變形為 0.004 1mm，D 級路面豎直方向上最大振動位移為 0.016mm ；兩種路況的等效Mises應(yīng)力最大值均位于支撐結(jié)構(gòu)側(cè)邊橫梁與縱梁焊接處，分別為 0.27MPa 和 1.07MPa 。

B級和D級路面各頻率下的加速度響應(yīng)PSD仿真結(jié)果如圖4所示，兩種路譜下的響應(yīng)特性規(guī)律相似。

表1衰減后的時間相關(guān)的加速度PSD

加速度響應(yīng)PSD較大，在 0～23Hz 區(qū)間內(nèi)加速度響應(yīng)PSD隨頻率的升高逐漸減小，在 23～48.6Hz 區(qū)間內(nèi)加速度響應(yīng)PSD隨頻率的升高逐漸增大，隨后加速度響應(yīng)PSD隨頻率的升高迅速降低，在 48.6Hz 下加速度響應(yīng)PSD達(dá)到極值：B級、D級路面分別為0.000179（m/s²）²/Hz 和 0.0011（m/s²）²/Hz 。重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動下響應(yīng)層次較低。

圖2重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動豎直方向振動變形

圖4各頻率下加速度響應(yīng)PSD仿真結(jié)果

圖6重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力分布

3.3慣性載荷工況分析

根據(jù)TSGR0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，將大容量儲氫瓶及其支撐結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸工況中所承受的慣性載荷分為四種情況：工況一為緊急制動，沿運(yùn)動方向2倍重力加速度的慣性載荷；工況二為緊急轉(zhuǎn)向，沿與運(yùn)動方向水平垂直方向 2g 的慣性載荷；工況三為通過凸臺，沿豎直向上方向 _1g 的慣性載荷；工況四為通過凹坑，沿豎直向下方向 2g 的慣性載荷。

四種工況下重卡儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的總位移和Mises應(yīng)力分布如圖5、圖6所示。不同工況下儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)點(diǎn)的位置均集中于結(jié)構(gòu)上部（剛度相對較?。Ρ瓤芍?，緊急轉(zhuǎn)向時結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最大，為1.66mm ，整體結(jié)構(gòu)向車輛轉(zhuǎn)彎方向?qū)?cè)傾倒，是行駛過程中的危險(xiǎn)工況。不同工況下儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力響應(yīng)點(diǎn)的位置有所差異，主要分布在結(jié)構(gòu)中下部。對比可知，緊急轉(zhuǎn)向時結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)最大，為296.68MPa 。

圖3重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動等效Mises應(yīng)力

圖5重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的總位移分布

考慮到模型方鋼壁厚方向尺寸遠(yuǎn)小于其他方向，可參考GB/T4732.4《壓力容器分析設(shè)計(jì)第4部分：應(yīng)力分類方法》9]對重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力評定。載荷組合系數(shù) K 取 和 S_III 的許用極限 （S_PL） 為材料的屈服強(qiáng)度。重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力評定結(jié)果如表2所示。局部過度應(yīng)變評定要求一次應(yīng)力的3個主應(yīng)力代數(shù)和需小于等于4倍許用應(yīng)力。4個工況下3個主應(yīng)力代數(shù)和分別為 460.3MPa?366.6MPa?51.2MPa 、102.4MPa ，均小于4倍許用應(yīng)力（ 668MPa） ，各工況局部過度應(yīng)變評定通過。

表2重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力評定結(jié)果

4結(jié)語

本文使用有限元方法，從模態(tài)、隨機(jī)振動和慣性載荷等方面分析了某型重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況，得出結(jié)論如下：

a.重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)前6階固有頻率集中分布在 10～42Hz 間，1～6階振型特征分別為一階橫向彎曲、一階橫向扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲、縱向扭轉(zhuǎn)、二階縱向扭轉(zhuǎn)和縱向竄動。

b.基于國家標(biāo)準(zhǔn)中的路譜公式對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)振動分析， 1σ 下B級路面和D級路面的豎直方向振動位移危險(xiǎn)點(diǎn)均位于支撐結(jié)構(gòu)頂端橫梁中部；兩種路況的等效Mises應(yīng)力最大值均位于支撐結(jié)構(gòu)側(cè)邊橫梁與縱梁焊接處，其中D級路面的隨機(jī)振動響應(yīng)更大。

c.在緊急制動、緊急轉(zhuǎn)彎、通過凸臺、通過凹坑等工況下支撐結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)點(diǎn)均集中于結(jié)構(gòu)剛度相對較小的上部，最大應(yīng)力響應(yīng)點(diǎn)主要分布在結(jié)構(gòu)中下部。緊急轉(zhuǎn)向時整體結(jié)構(gòu)向車輛轉(zhuǎn)彎方向?qū)?cè)傾倒，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最大，是行駛過程中相對危險(xiǎn)的工況。各慣性載荷工況下的響應(yīng)結(jié)果通過基于應(yīng)力分類方法的塑性垮塌和局部過度應(yīng)變評定。

本文研究面向道路行駛安全的重卡車載儲氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，分析結(jié)果為車載儲氫裝備的振動抑制設(shè)計(jì)與應(yīng)力強(qiáng)度優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

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