针对一种重型卡车燃气构架的优化设计及仿真分析

干奇银

（北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，北京 101400）

近年来，随着环保要求的严苛，并考虑运输成本，天然气汽车得到了大力发展。一般天然气汽车有两种：压缩天然气（CNG）汽车和液化（LNG）天然气汽车。本文是针对CNG汽车的燃气托架做的结构优化。

某型号的CNG 自卸卡车，CNG 气瓶固定在车架两侧，单侧4 个一组，共8 个燃气瓶。CNG 气瓶较重，该车型配置的CNG 单个瓶重约110kg，因此，燃气瓶托架是关键的受力件，其承载能力为这款CNG 自卸车车的的重要质量指标。作者在设计之处选择了“口”字型托架闭型结构设计（简称“闭口托架”），托架内层及气瓶之间使用橡胶垫块做减振元件，每两个托架并排安装，承载四个CNG 气瓶。通过耐久试验和市场验证，该结构的强度及对气瓶的保护效果良好。

但自卸车的工况复杂，经常在条件恶劣的矿区作业，近来有部分燃气托架出现断裂的情况。另外，燃气瓶在该托架上不易安装，托架的质量较大，制作工艺复杂成本较高，因此，需要对该零件做技术优化，改进其结构，降低事故率和生产成本。图2 即为CNG 气瓶及闭口托架的三维模型。

图1 采用CNG 气瓶 的自卸汽车

图2 CNG 气瓶及闭口托架三维模型

1 燃气瓶托架的结构优化

经过分析，将燃气瓶托架结构做如下优化：将“口”字型的闭口结构设计，改为“U”型的托架配盖板结构的开口型托架。图3 为CNG 气瓶及开口托架的三维模型。

采用开口托架结构，CNG 燃气瓶和托架在流水线装配比闭口托架简单。也有利于CNG 气路的布置和装配。且开口托架的制作工艺较闭口托架简单，有效地降低了成本。在CAE分析时，对其发生应力大的区域做加强，对应力小的区域做优化。以下的分析结果是在优化后的结构上进行的。

图3 CNG 气瓶及开口托架三维模型

2 对两种托架做CAE 比对分析

自卸车工作时的振动频率分布范围较宽，并随运行的工况而变化。但经测试发现，主振动频谱在5 ～12Hz，其第一阶的固有频率为8Hz，第二阶为15Hz，且以8Hz 为主振频。分别在上下、左右、前后三个方向加载，采用8 倍气瓶重力约34810N 进行静压试验，依据CAD 三维模型，进行CAE 有限元分析。对开口托架和闭口托架的模型作瞬态动力学CAE分析，分别从上下、左右、前后方向作静压模拟加载，结果如图4 ～9 所示。

图4 开口支架上下方向加载应力云图

图5 闭口支架上下方向加载应力云图

在动力学分析的应力结果基础上，进行疲劳寿命计算，得到的开口、闭口支架校核模型的疲劳寿命数值，其分析结果如图10、11 所示。

图6 开口托架左右方向加载应力云图

图7 闭口托架左右方向加载应力云图

图8 开口托架前后方向加载应力云图

图9 闭口托架前后方向加载应力云图

图10 开口托架疲劳分析应力云图

图11 闭口托架疲劳分析应力云图

3 两种托架试验结果对比

3.1 静压试验

3.1.1 静压试验技术要求

（1）在静压试验中支架最大变形量不允许超过13mm；

（2）气瓶、支架及附件不允许出现裂纹、断裂及永久性损坏。

3.1.2 支架安装及试验

试验条件：两种气瓶支架组件分别固定，并依次在上下，左右，前后三个方向加载，大小为34810N 进行静压试验。根据实际的断裂点和CAE 分析选取测试点，图12 和图13 为试验选取点的示意图。

在1 ～2 测量点贴应变片测应变，在其余测量点加千分表测变形量。

图12 开口托架（左）和闭口托架（右）应变测点示意图

图13 开口托架（左）和闭口托架（右）位移测点示意图

3.1.3 静压试验结果

（1）应力应变结果，以及试验值和仿真值的对比（表1）。

表1 试验测点应变及应力的试验值及仿真值

（2）试验位移结果，以及试验值和仿真值的对比（表2）。

表2 位移测量点位移值的试验值及仿真值

3.2 疲劳试验

3.2.1 疲劳试验技术要求

（1）30 万次之内支架样件不允许出现裂纹及断裂；

（2）气瓶最大旋转角不大于5°；

（3）气瓶前后窜动量最大不超过5mm。

3.2.2 安装及试验

把开口和闭口托架装配在车架两侧，车架固定在振动装置上。试验条件：将车架及两种气瓶支架组件固定在振动装置上，输入振动加速度为±1.5g 的正弦曲线，振动频率8Hz，进行疲劳试验。

测量点选取：根据初步分析结果，分别在开口托架方案和闭口托架方案各对应的选取4 个测量点，并贴应变片，通过测量点的应变来得到这些点的应力。

3.2.3 试验结果

（1）开口托架36 万次、闭口托架33 万次，样件出现裂纹及断裂；（2）气瓶最大旋转角均为0.34°；（3）气瓶前后窜动量最大均为2.2mm；（4）应力结果如表3 所示。

表3 测点的仿真与试验应力值对比

4 分析结果

（1）根据CAE 分析及试验结果得出，开口托架在静压试验和疲劳试验中的各项指标均优于闭口托架。

（2）CAE 分析和试验结果虽存在一定的差距，但差值较小，可以根据仿真结果作为今后继续优化设计托架的依据。

（3）原托架结构所选的材料能够满足仿真及试验的要求，因此，开口托架仍选用原闭口托架的材料。

（4）该方案在经过CAE 分析和试验后，用于用户试验，市场反馈良好。