基于Hyperworks的CNG氣瓶框架強度分析

米會學，郭宇

（1.陜西德仕汽車部件（集團）有限責任公司，陜西 西安 710200；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

近年來國內主機廠出口天然氣車型逐漸增加，車輛普通存在需要滿足法規認證的現實情況，燃氣供給系統作為天然氣車型的主要特征變化點和能量存儲裝置其安全性能一直受到各界的普遍重視，文章通過對法規ECE R110研究，歸納總結出通過試驗和有限元法相結合的方法來分析 CNG氣瓶及框架強度，仿真結果亦闡明通過有限元法能夠分析 CNG框架強度。實踐證明該方法可以作為產品設計的參考依據，為產品優化設計提供指導。

1 氣瓶框架分析方法

在此分析中，通過有限元法分析 CNG框架強度。并選用世界著名的Hyperworks的OptiStruct求解器進行仿真。該求解器是先進的有限元隱式求解器，可用來分析結構的靜態響應。圖1展示了此次的分析流程。通過CNG氣瓶及框架的 CAD數模搭建其有限元模型。框架的材料屬性數據根據材料拉伸試驗獲得。而模型邊界條件根據ECE R110 法規要求進行設置。然后，通過 OptiStruct進行強度分析，并從其應力云圖分析其框架結構強度，判斷該氣瓶框架是否滿足法規要求。

圖1 分析流程

2 材料試驗

氣瓶框架主體承載結構是采用板材和槽鋼焊接完成，通過提取氣瓶框架使用的材料樣件進行試驗，獲得材料的力學性能數據。同時，通過試驗分別獲得焊絲、氣瓶緊固螺栓和緊固帶焊接處的力學性能數據。

2.1 槽鋼材料試驗

（1）檢驗依據

GB/T228.1-2010；GB/T700-2006

表1 材料性能參數

（2）材料規格：

Q235-AF-GB/T700-2006；80×43×5-GB/T707

（3）試樣力學性能檢測結果，見表2。

表2

2.3 氣瓶固定螺栓材料試驗

（1）氣瓶固定螺栓規格，見表3：

表3

（2）螺栓材料規格：

40Cr-GB/T 3078-2008；GB/T 905-1994

（3）試樣屈服點拉力及最大拉力見下表4。

表4

（4）試樣拉伸試驗基本流程：

圖2

2.4 緊固帶焊接處拉伸試驗

（1）檢驗內容：切取緊固帶端頭部分進行拉伸試驗，以考察焊接部位質量。

表5 材料性能參數

（2）試樣性能檢測結果

試樣7-225-1最大拉力60574N，試樣在頭部銷孔處斷裂。

試樣7-225-2最大拉力57132N，試樣在頭部銷孔處斷裂。

從試驗結果可以看出，焊接十分牢靠，拉伸到一定程度后，拉帶先斷裂，試樣7-225-1和7-225-2斷裂應力分別為：576MPa和544MPa。

（3）試樣7-225-1與7-225-2的力-位移曲線見圖2。

圖3 力-位移曲線圖

2.5 氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲力學性能

（1）檢驗依據：GB/T 8110-2008

（2）材料規格：ER50-6Φ1.2

（3）熔敷金屬力學性能見表6。

表6

3 有限元建模

3.1 網格質量

CNG 氣瓶及框架的有限元模型基于 CAD 數模進行網格劃分。根據有限元法，對橡膠墊帶進行實體網格劃分，氣瓶緊固帶和氣瓶框架結構均用四邊形網格劃分，并含有少量的三角形網格確保有限元網格外形與 CAD 數模一致。表 7為此模型的網格標準，該標準與汽車公司的車輛碰撞仿真所用網格標準一致。

表7 網格標準

3.2 CNG雙排氣瓶有限元模型

雙排氣瓶有限元模型由4個CNG 氣瓶框架，橡膠墊帶，氣瓶緊固帶和緊固螺栓組成，如圖7所示。圖7 中(a）圖為CAD數模， (b）圖為有限元模型。圖7（c）中顯示了雙排氣瓶的一些建模細節。從模型正面來看，橡膠墊帶和氣瓶之間幾乎無縫隙。氣瓶緊固帶和橡膠墊帶通過Optistruct中特有的關鍵字 Contact來設置它們之間的固定關系。骨架之間通過焊縫連接起來，其中焊縫通過關鍵字Seam進行建模。螺栓連接部位，通過建立Beam 單元模擬螺栓的力學性能及外形。通過Section beam設置螺栓的外形，即圓柱和螺栓尺寸。雖然仿真中的螺栓僅為線單元，但其物理性質與實際無差別。表8為CNG氣瓶有限元氣瓶及框架模型數據，表9為CNG氣瓶框架材料屬性，賦值根據材料試驗結果引用各項試驗的最小值。

圖4 雙氣瓶有限元模型

表8 CNG氣瓶有限元氣瓶及框架模型數據

表9 CNG氣瓶框架材料屬性

3.3 邊界條件

在ECE R110 法規17.4中，要求當機動車攜帶充滿氣體的氣瓶在以下速度行駛時，氣瓶框架必須能夠消除撞擊所帶來的影響。此外，對于M3和N3型汽車，測試條件為：滿足機動車行駛方向6.6g加速度和水平方向上垂直于行駛方向5g加速度工況行駛要求。在仿真中，邊界條件的定義是基于法規ECE R110 section 17.4 的要求。

（1）加載機動車行駛方向6.6g 的重力加速度。

（2）加載水平方向上垂直于行駛方向 5g 的重力加速度。

圖5 雙排氣瓶的邊界條件

此外，框架模型和車架連接處被約束，用來模擬框架被固定在車上不能移動，圓圈標記了約束位置，如圖4雙排氣瓶的邊界條件所示。

3.4 氣瓶框架強度仿真結果

在有限元仿真中，Optistruc求解器用于分析整個氣瓶框架的應力云圖分布情況。如下圖5 所示，該圖為行駛方向6.6g加速度工況的安全因子云圖，最小安全因子為1.17，圖5顯示框架最大應力為：（470MPa）/1.17=401MPa，小于材料抗拉極限。

圖6 CNG氣瓶框架在行駛方向分析結果

雙排氣瓶框架水平方向上垂直于行駛方向工況仿真結果如圖6所示。最小安全因子為4.12，結果顯示框架最大應力為：470MPa/4.12=114MPa，小于材料抗拉極限。

圖7 CNG氣瓶框架水平方向分析結果

6 結論

通過對氣瓶進行試驗分析，氣瓶滿足ECR R110 在 17.4中的描述和要求。通過有限元法對氣瓶框架的強度進行分析。為了獲得氣瓶框架、緊固帶和螺栓的材料屬性，提取相關樣件進行了材料拉伸試驗，并通過 CAD 數模進行有限元網格模型搭建。通過施加邊界條件機動車行駛方向 6.6g 和水平方向上垂直于行駛方向 5g 來驗證整個氣瓶框架模型的強度。分析結果顯示，該框架沒有開裂的危險。該氣瓶框架滿足法規ECE R110在 17.4 中的描述和要求。

參考文獻

[1] 付亞蘭,謝素明.基于HyperMesh的結構有限元建模技術[M].中國水利水電出版社, 2015.

[2] 殷承良,張建龍.新能源汽車整車設計:典型車型與結構[M].上海科學技術出版社, 2013.