LNG车载气瓶支架强度分析及优化

徐童非 ，郑甲红，唐永科，曹 君

XU Tong-fei1 , ZHENG Jia-hong1 , TANG Yong-ke2, CAO Jun2

（1.陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安德森新能源装备有限公司，西安 710043）

0 引言

随着我国的经济迅猛发展，工业气体在工农业、国防科研和医疗等方面的应用更为明显[1]；与此同时，雾霾、扬尘等环境问题越发严重促使国家进行新兴能源战略结构调整，大批新兴能源项目获得迅速发展，其中天然气的消费在国内外与日俱增。天然气既可作为生活燃料，亦可作为汽车燃料，具有低碳环保、无毒、污染少、费用低、易于贮存运输、安全性好等优势。LNG汽车燃料在国内发展时间较短，技术有待提高，因此其发展前景十分光明。然而要想将此技术在国内推向成熟，车用LNG产业依然面临诸多问题有待解决，如气瓶失真空、绝热性能差、气瓶阀门管路低温条件下失效，蒸发率高等；其中，气瓶支架的轻量化对经济效益也有直接影响，因此研究分析气瓶支架强度，优化支架结构，减少支架材料的耗用，具有重要的经济意义。

1 现用的气瓶支架

现用的气瓶支架，存在着结构复杂、笨重、耗材高等缺陷；质量约为291.5kg，且在市场中运行良好，各项性能均达到强度要求，实物和三维模型如图1所示。新架的材料为Q235，其属性如表1所示。

表1 -Q235的材料力学性能

2 新型气瓶支架的有限元模型建立

图1 实体和三维模型

通过SolidWorks三维软件设计新型气瓶支架模型[2]，并导入ANSYS分析软件中，其材料选取Q235，支架总质量约为225.8kg，如图2所示。

图2 新型支架有限元模型

3 新型气瓶支架强度分析

通过三种工况（正常行驶工况分析、制动工况、转弯工况）对气瓶支架强度进行分析，考察各工况下气瓶支架的应力分布情况。因此需添加惯性力载荷，根据GB/T19905-2005《液化气体运输车》标准规定，气瓶支架受惯性载荷如下：2g的重力加速度，垂直向下（正常运动工况）；2g的重力加速度，沿运动方向（制动工况）；1g的重力加速度，与运动方向成直角的水平方向（转弯工况）[4～6]。

3.1 正常行驶工况

1）采用static structural模块对已建立好的气瓶支架进行网格划分[3]，运用Multizone方法，单元格大小设为：20mm，网格划分得：Nodes： 357442；Elements：149706。

2）添加约束、载荷：约束底下两个大梁底面，和端面的六个自由度；Y向为2g的重力加速度，将惯性加速度转化为惯性力施加在框架弧板上[4]，求解得：

Y向惯性力大小为：FY=Ma=450×2g=9000N；

气瓶和天然气总重：G=450×g=4500N；

故：Y向每个弧板受载荷均为-6750N。

3）求解得等效应力云图。最大应力为71.54MPa，安全因子为3.28。1）、2）、3）分析结果如图3所示。

图3 正常行驶工况

3.2 制动工况

1）划分网格方法和添加约束与3.1正常行驶工况相同。

2）添加载荷：Z向的惯性加速度为2g，Y向为g的重力加速度；将惯性加速度转化为惯性力施加在框架弧板上，求解得：

Z向惯性力大小为：FZ=Ma=450×2g=9000N；

Y方向惯性力大小为：FY=Ma=450×g=4500N；

气瓶和天然气总重：G=4500N；

故：Z向每个弧板受载荷均为4500N，Y向每个弧板受载荷均为-4500N。

3）求解得等效应力云图。最大应力为147.05MPa，安全因子为1.59。1）、2）、3）分析结果如图4所示。

图4 制动工况

3.3 转弯工况

1）划分网格方法和添加约束与3.1正常行驶工况相同。

2）添加载荷：X向的g加速度，Y方为g的重力加速度，将惯性加速度转化为惯性力施加在框架弧板上，求解得：

X向惯性力大小：FX=Ma=450×g=4500N；

Y向惯性力大小：FY=Ma=450×g=4500N；

气瓶和天然气总重：G=4500N；

故：X向每个弧板受载荷均为2250N，Y向每个弧板受载荷均为-4500N。

3）求解得等效应力云图。最大应力为127.83MPa，安全因子为1.83。1）、2）、3）分析结果如图5所示。

图5 转弯工况

4 分析结果对比

对气瓶支架三种不同工况下结构的强度分析。

得到结果对比如表2所示。

表2 三种不同工况下的分析结果对比

5 结论

由气瓶支架三种不同工况下结构的强度分析可知：

1）气瓶支架在三种工况下，都符合设计要求；

2）因瓶体框架质心较高，由分析结果可看出：转弯工况（侧向加载）承受载荷最弱，其次是制动工况（前后加载），正常行驶工况（垂直向下）承载能力最强；

3）气瓶在正常行驶工况下，垂向加载加速度为6.57g，支架产生屈服；气瓶在制动工况下，横向加载加速度为3.2g，支架产生屈服；气瓶在转弯工况下，侧向加载加速度为1.85g，支架产生屈服；

4）新型设计的气瓶支架质量约为225.8kg，现用的气瓶支架291.5kg，相比质量要减轻22.5%，实现气瓶支架轻量化，生产成本有效降低。

[1]张祉佑,石秉三.低温技术原理与装置（上）[M].北京:机械工业出版社,1987.

[2]赵罘,杨晓晋,刘玥.SolidWorks2013中文版机械设计从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2013.

[3]浦广益.ANSYS Workbench基础教程与实例详解（第二版）[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[4]万里平.液化气体运输罐车强度分析和防波板设计[D].北京:北京化工大学,2011.

[5]GB/T19905-2005 《液化气体运输车》[S].2005.

[6]李阳,汪荣顺,王彩莉,等.使用ANSYS对惯性力作用下的低温绝热气瓶进行应力分析与优化[J].低温与超导,2009,37(11):7.