汽车用储气筒的结构优化设计与分析

2013-06-06张立军赵永瑞

机电工程技术 2013年6期

宋江，张立军，赵永瑞

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）

随着科学技术的发展，压力容器的应用领域越来越广[1-2]。汽车用储气筒是一种典型的小型压力容器，主要由中间部分的筒体和两端的封头组成。作为汽车零部件的重要组成部分，储气筒主要起储存压缩空气及刹车制动的作用，其性能的好坏直接影响行车安全和车底空间布局等。因此，本着节约材料、在安全前提下减薄壁厚进而减轻汽车总重的原则，研究储气筒的工作压力、所用材料以及外形结构具有十分重要的意义。

1 储气筒壁厚的理论设计

储气筒壁厚的设计参数：设计温度为25℃；工作压力分别为0.8 MPa、1.2 MPa 和1.5 MPa；材质分别为铝合金、低合金钢和碳素钢。在以上参数下，设计并计算其最小壁厚，以满足安全要求。

1.1 压力容器壁厚的计算和校核公式

压力容器的壁厚计算公式为：

考虑介质等因素后，压力容器的设计壁厚公式为：

最大允许工作压力[ ]pw公式为

其中：pc为计算压力，MPa；Di为储气筒内径，Di=D0-2δn，mm；D0为储气筒外径，mm；δe为有效厚度，δe=δn-C ，mm；δn为名义壁厚，mm；C 为厚度附加量，mm；[ ]σt为设计温度下储气筒材料的许用应力，MPa；ϕ 为焊接接头系数。

1.2 铝合金储气筒壁厚的计算公式

当材质为2018 铝合金储气筒在1.2 MPa 工作压力时，假设储气筒的名义壁厚δn=2 mm，外径D0=348 mm，则内径Di=D0-2δn=344 mm。计算压力pc=1.1×1.2=1.32 MPa。

计算厚度为

由于铝合金的表面易自然形成一层致密牢固的Al2O3保护膜，能很好地保护筒体不受腐蚀，使用寿命长[3]；而且汽车用储气筒一直处在空气中，腐蚀性较小，取腐蚀裕量C2=0 mm 。因此设计厚度δd=δ ＋C2=1.63 ＋0=1.63 mm 。查相关手册得出厚度负差C1=0.08，因为该值不超过名义壁厚的6%，所以其厚度负差忽略不计。圆整后名义壁厚δn=2 mm，有效壁厚δe=δn-C=2 mm。

强度校核为:

最大允许工作压力为：

针对其它两组工作压力或材质的储气筒壁厚的计算方法与上相同。

2 储气筒外形的设计比较

针对2018 铝合金储气筒；在1.2 MPa 的工作压力和25℃的设计温度下，比较圆筒形储气筒和长方体储气筒对使用要求的影响。

2.1 圆筒形储气筒

采用标准椭圆形封头[4]的具体设计参数为：D0=2r0=348 mm，δn=2 mm，Di=2ri=344 mm，封头曲面深度hi=100 mm，筒体长度L=700 mm。则圆筒形储气筒的体积为：

2.2 长方体储气筒

根据计算厚度公式δ=max{ }δx，δy，其中：

查相关手册，得出系数β =0.042 7，β1=0.017 2。

长方体储气筒的体积为：

可见，针对同种材质，在汽车中所占空间一致的情况下，长方体储气筒的重量大于圆筒形储气筒的重量。圆筒形储气筒受力均匀，耐压能力好，能充分发挥材料的承载力；长方体储气筒承载能力差，厚度方向弯曲应力成线性分布，且其顶角和棱角处易出现应力集中。长方体容器的壁厚设计的相当厚才能提高承压能力，圆筒形容器各部承压合理壁厚可以设计的薄一些。因此从节约材料、减轻重量、受力状态等方面综合考虑，采用圆筒形储气筒较好。

3 圆筒形储气筒壁厚的优化设计

储气筒的初始设计参数为，D0=348 mm，总长900 mm，工作压力为1.2 MPa。

设计要求是，在满足给定的强度条件下，使整个储气筒的重量达到最小。选定储气筒的壁厚d 为设计变量，等效应力σ 为约束条件。由于筒体外径和总长一定，可用储气筒的横截面积代替其重量大小[4-6]。以储气筒筒体的截面积S 为目标函数，其表达式为

其中：100A为椭圆形封头的长半轴长，100B为椭圆形封头的短半轴长，L0为储气筒总长。

由于整个储气筒是轴对称结构，故在ANSYS 软件中可以建立其1/4 模型，如图1 所示。得到1.2 MPa 下铝合金储气筒的等效应力分布如图2 所示。在此基础上分别计算出在二种压力（0.8 MPa、1.5 MPa）下，三种材质（铝合金、不锈钢和碳素钢）的储气筒的最优壁厚，如表1所示。

图1 储气筒的1/4有限元模型

图2 等效应力分布云图

从表1 中可以看出，在相同条件下，考虑到腐蚀裕量、厚度负偏差等因素时，铝合金和不锈钢储气筒的名义壁厚较小。而由ANSYS软件优化计算得出的碳素钢储气筒壁厚较小。

通过计算三种材料的储气筒最优壁厚下的体积，并考虑各自密度，得出2018铝合金储气筒的重量为4 478.43 g，Q345R 碳素钢储气筒的重量为9 546.6 g，S11306 不锈钢储气筒的重量为13 132.65 g。因此，对比这三种材料，铝合金最符合设计目的，更趋向于汽车轻量化发展。

4 结论

（1）理论计算表明，当外径为348 mm、总长为900 mm时，在0.8 MPa、1.2 MPa和1.5 MPa下，得到铝合金储气筒壁厚的最小值分别为1.08 mm、1.63 mm、2.03 mm；碳素钢储气筒壁厚的最小值分别为0.80 mm、1.20 mm、1.50 mm；不锈钢储气筒壁厚的最小值分别为：1.11 mm、1.67 mm、2.09 mm。

（2）在汽车中所占空间一致的条件下，长方体储气筒的重量大于圆筒形储气筒的重量。因此从节约材料、减轻重量、受力状态等方面综合考虑，采用圆筒形储气筒较好。

（3）综合考虑多种因素的影响，利用优化设计，指出铝合金板材制造圆筒形储气筒为最佳选择。