重型卡车燃气构架优化设计及仿真分析

摘要：一种匹配了CNG的自卸车，CNG气瓶托架在用户使用过程中出现裂纹，且这种气瓶托架质量较重。本文作者针对以上两点对该托架做技术改进。应用CAE仿真分析其断裂处的受力情况，对其结构做优化设计。试验表明该方案满足试验要求，且有效降低了托架重量。

关键词：CNG气瓶托架；CAE分析；静压试验；疲劳试验

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。

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。

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。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。

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。

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）。（2）试验位移结果，以及试验值和仿真值的对比（表2）。

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。

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。

参考文献：

[1]曲令晋,史亚贝.基于灵敏度的重型卡车车架优化设计的研究[J].汽车零部件，2010（9）.

[2]陈德玲,陈效华,张建武.三段式大型客车车架模态分析[J].南京理工大学学报(自然科学版)，2004(4).

[3]卫金桥,金先龙.压缩天然气城市公交客车车身结构强度计算[J].机械强度，2003(3).

[4]罗彩茹,王海林等.压缩天然气在汽车上的应用及展望[J].农机化研究，2010(4).

作者：干奇银 单位：北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心