燃料電池城市客車儲(chǔ)氫瓶疲勞分析

唐學(xué)志 趙雨?yáng)| 樊 彬 王文軍

（清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 前言

燃料電池城市客車作為新能源汽車的代表之一，其安全性備受關(guān)注。燃料電池客車的安全包括氫安全、電安全及碰撞安全等。在3項(xiàng)安全問(wèn)題中，氫安全最被人們所關(guān)注。氫安全是指氫的特性引起的安全問(wèn)題，主要涉及高壓儲(chǔ)氫瓶、供氫管路和燃料電池。國(guó)外關(guān)于燃料電池客車的氫安全問(wèn)題的研究主要集中在氫泄漏、著火安全性等方面，而關(guān)于儲(chǔ)氫瓶疲勞方面的研究未見相關(guān)報(bào)道；我國(guó)在這方面的研究也處于起步階段。

本文所研究的儲(chǔ)氫瓶是我國(guó)某企業(yè)生產(chǎn)的鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合瓶，瓶口通過(guò)螺紋連接安裝了某公司開發(fā)的質(zhì)量為6.71 kg的集成閥，集成閥和儲(chǔ)氫瓶隨車振動(dòng)時(shí)可能會(huì)引起儲(chǔ)氫瓶瓶口附近疲勞破壞，為此，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量并結(jié)合相關(guān)理論對(duì)儲(chǔ)氫瓶瓶口附近的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析研究。

2 分析流程

根據(jù)文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[7]確定儲(chǔ)氫瓶疲勞分析流程為:

a.通過(guò)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)量裝有集成閥儲(chǔ)氫瓶的前幾階固有頻率及其振型，進(jìn)而找出儲(chǔ)氫瓶的關(guān)鍵頻率和振型；

b.測(cè)量燃料電池城市客車實(shí)際運(yùn)行時(shí)車頂?shù)恼駝?dòng)情況，得到車頂振動(dòng)的功率譜密度（PSD）和時(shí)域數(shù)據(jù)；

c.根據(jù)實(shí)測(cè)PSD譜和時(shí)域數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化得到振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)所需的評(píng)價(jià)譜 （PSD譜和正弦定頻譜），將儲(chǔ)氫瓶安裝在振動(dòng)臺(tái)上，按照各評(píng)價(jià)譜分別激振，同時(shí)測(cè)量瓶口的動(dòng)態(tài)應(yīng)變；

d.根據(jù)所測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)算出等效應(yīng)力幅及等效平均應(yīng)力，得到多軸疲勞理論下的Goodman圖，分析儲(chǔ)氫瓶的疲勞特性。

3 儲(chǔ)氫瓶試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

3.1 主要設(shè)置

理論上試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是用力錘敲擊物體得到輸入信號(hào) f（t）和物體上的加速度響應(yīng)信號(hào)x（t），然后進(jìn)行頻譜變換得到頻響函數(shù) H（f）=X（f）/F（f），再根據(jù)模態(tài)參數(shù)估計(jì)算法得到物體的固有頻率、模態(tài)阻尼及模態(tài)振型。

儲(chǔ)氫瓶的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法為，利用細(xì)鋼絲繩懸吊儲(chǔ)氫瓶（圖1），采用PCB公司加速度傳感器和具有硬塑料錘頭的力錘。傳感器安裝位置見圖2。儲(chǔ)氫瓶模態(tài)試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)為64個(gè)，瓶口模態(tài)試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)為39個(gè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)敲擊3次，模態(tài)參數(shù)估計(jì)算法選用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（ERA）。

3.2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果

在儲(chǔ)氫瓶裝有集成閥情況下，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得出的瓶體前3階固有頻率和第1階振型分別如表1和圖3所示。由表1和圖3可看出，儲(chǔ)氫瓶的第1階固有頻率遠(yuǎn)高于正常車頂?shù)姆治鲱l率（0～75 Hz），且振動(dòng)主要發(fā)生在儲(chǔ)氫瓶中部。

由于儲(chǔ)氫瓶瓶口附近的疲勞特性更關(guān)鍵，所以對(duì)包括集成閥在內(nèi)的儲(chǔ)氫瓶前端瓶口進(jìn)行了瓶口試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，結(jié)果如表2和圖4所示。由表2和圖4可看出，第1階振動(dòng)的最大振幅發(fā)生在集成閥的質(zhì)心附近，第1階固有頻率也遠(yuǎn)高于正常的車頂分析頻率。

表1 儲(chǔ)氫瓶前3階固有頻率 Hz

表2 瓶口前3階固有頻率 Hz

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在正常的運(yùn)行過(guò)程中，燃料電池城市客車的儲(chǔ)氫瓶瓶體和集成閥的第1階共振是不會(huì)發(fā)生的，儲(chǔ)氫瓶的疲勞應(yīng)主要受車頂振動(dòng)的影響。

4 車頂振動(dòng)測(cè)量

為能在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上重現(xiàn)燃料電池城市客車儲(chǔ)氫瓶口附近振動(dòng)情況，以便進(jìn)行疲勞評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)際運(yùn)行的燃料電池城市客車儲(chǔ)氫瓶口附近的車頂隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域和時(shí)域處理后，得出了振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)重現(xiàn)實(shí)際振動(dòng)所需要的PSD，以及能在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上產(chǎn)生比實(shí)際振動(dòng)強(qiáng)度大的加速PSD和最大峰值正弦譜。

測(cè)試所用燃料電池城市客車作為公共汽車每天運(yùn)行于北京頤和園北宮門與人民大學(xué)東門之間，行程為15 km，且每日需從頤和園北宮門返回加氫站，行程為10 km。

如圖5所示，在1個(gè)儲(chǔ)氫瓶靠近瓶口的前支架附近的車頂上布置了1個(gè)加速度傳感器。共測(cè)量3組數(shù)據(jù)，第1組和第2組數(shù)據(jù)為客車在往返全程載客路線行駛時(shí)測(cè)得，第3組數(shù)據(jù)為客車返回加氫站過(guò)程中測(cè)得。儲(chǔ)氫瓶前支架附近車頂振動(dòng)測(cè)量結(jié)果（第1組數(shù)據(jù)）見圖6。

由圖6及其它2組數(shù)據(jù)（本文略）可知，車頂?shù)恼駝?dòng)主要集中在20 Hz內(nèi)。考慮到振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)頻率低于2 Hz的振動(dòng)，以及功率譜密度中應(yīng)盡可能反映實(shí)際振動(dòng)能量所在的頻率范圍，所以對(duì)2～200 Hz頻率范圍內(nèi)的功率譜密度進(jìn)行分析，得到的可用于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)激振并重現(xiàn)車頂振動(dòng)的功率譜密度見圖7。在2～200 Hz頻率范圍內(nèi)，選取功率譜密度恒為6.299×10-4g2/Hz，可得到加速功率譜密度譜。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)及最大峰值頻率分析理論，可得出3組測(cè)量時(shí)域上的最大加速度值及其對(duì)應(yīng)的頻率，即最大峰值正弦評(píng)價(jià)譜，見表3。

表3 最大峰值正弦評(píng)價(jià)譜

5 振動(dòng)重現(xiàn)及動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量

用上述測(cè)得的PSD、加速PSD和最大峰值正弦譜，在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)儲(chǔ)氫瓶激振，使儲(chǔ)氫瓶瓶口附近重現(xiàn)實(shí)車運(yùn)行條件下的振動(dòng)情況，或產(chǎn)生比實(shí)際運(yùn)行情況更劇烈的振動(dòng)，采用應(yīng)變法測(cè)量?jī)?chǔ)氫瓶瓶口附近的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

因儲(chǔ)氫瓶較長(zhǎng)，所以在振動(dòng)臺(tái)上安置儲(chǔ)氫瓶時(shí)，將激振基座支撐在儲(chǔ)氫瓶前端靠近瓶口的位置上，而瓶的后端采用2個(gè)帶軸承的小輪（簡(jiǎn)稱車輪）實(shí)現(xiàn)鉸鏈支撐（圖8）。應(yīng)變片A、B分別貼在儲(chǔ)氫瓶瓶口的上、下端。

6 疲勞分析

基于多軸疲勞理論和Goodman疲勞準(zhǔn)則對(duì)儲(chǔ)氫瓶的疲勞情況進(jìn)行分析。

首先根據(jù)應(yīng)變片在 3 個(gè)軸（0°、45°、90°）上的應(yīng)變得到主應(yīng)力，然后計(jì)算出最大交變應(yīng)力幅和最大平均應(yīng)力，再根據(jù)多軸疲勞狀態(tài)下的等效應(yīng)力幅和等效平均應(yīng)力計(jì)算方法[7]，計(jì)算出不同評(píng)價(jià)譜下激振瓶口振動(dòng)狀況的等效應(yīng)力幅Sqa和等效平均應(yīng)力Sqm，見表 4。

表4 各疲勞載荷譜振動(dòng)下的Sqa和Sqm值 MPa

根據(jù)儲(chǔ)氫瓶瓶口材料、結(jié)構(gòu)尺寸和載荷情況以及文獻(xiàn) [8]，得出儲(chǔ)氫瓶構(gòu)件的等效屈服極限Sy=21.88 MPa，等效疲勞極限Sf=9.95 MPa，等效拉伸極限Su=24.88 MPa。

根據(jù)不同評(píng)價(jià)譜下激振引起儲(chǔ)氫瓶瓶口振動(dòng)的等效應(yīng)力幅和等效平均應(yīng)力，以及儲(chǔ)氫瓶構(gòu)件的各疲勞極限，可作出儲(chǔ)氫瓶在各評(píng)價(jià)譜振動(dòng)情況下的Goodman圖。圖9為功率譜密度評(píng)價(jià)譜（圖7）振動(dòng)下的Goodman圖。

從圖9及表4中其它各評(píng)價(jià)譜振動(dòng)的Good?man圖（本文略）可知，在各疲勞載荷譜下，瓶口上端測(cè)點(diǎn)A和下端測(cè)點(diǎn)B都在Goodman疲勞分析圖中強(qiáng)度可接受的區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明A、B測(cè)點(diǎn)及瓶口內(nèi)螺紋危險(xiǎn)點(diǎn)都是安全的。但A點(diǎn)的等效應(yīng)力幅和等效平均應(yīng)力都大于B點(diǎn)，表明A點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度比B點(diǎn)略低。

加速評(píng)價(jià)PSD和最大峰值正弦譜振動(dòng)下（本文略），等效應(yīng)力幅和等效平均應(yīng)力變化幅度都在1～4 MPa的范圍內(nèi)，說(shuō)明儲(chǔ)氫瓶安裝集成閥后，在瓶口疲勞中起決定因素的不是實(shí)際行駛過(guò)程中由集成閥振動(dòng)引起的應(yīng)力變化，而可能是由儲(chǔ)氫瓶充放氣過(guò)程和充放氣次數(shù)導(dǎo)致的。

7 結(jié)束語(yǔ)

為分析某燃料電池城市客車儲(chǔ)氫瓶因懸置安裝集成閥引起的瓶口附近疲勞情況，通過(guò)測(cè)量?jī)?chǔ)氫瓶模態(tài)和實(shí)車運(yùn)行時(shí)的車頂加速度，得出在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)重現(xiàn)振動(dòng)所需的疲勞評(píng)價(jià)譜。利用評(píng)價(jià)譜在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上重現(xiàn)了儲(chǔ)氫瓶振動(dòng)，測(cè)量了儲(chǔ)氫瓶瓶口在各種評(píng)價(jià)譜下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，根據(jù)多軸疲勞理論分析了儲(chǔ)氫瓶瓶口附近的疲勞特性。分析結(jié)果表明，儲(chǔ)氫瓶瓶口的疲勞強(qiáng)度在可接受的區(qū)域內(nèi)，集成閥的振動(dòng)不是儲(chǔ)氫瓶瓶口疲勞的決定因素。

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