液化天然氣供氣系統框架的強度分析

顧婷婷 康彬 董濤濤 唐英國 周文君

摘 要：為研究液化天然氣（LNG）供氣系統中框架的結構優化。利用hypermesh和ansys的聯合仿真，將優化后的框架通過有限元分析進行強度校核。結果表明優化減重后的LNG供氣系統框架結構是可行的，同時也為后續的結構優化提供有力的理論依據。

關鍵詞：有限元;液化天然氣;框架;結構優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.017

0 引言

液化天然氣（LNG）供氣系統安裝在駕駛室后方汽車大梁上。供氣系統合理利用車輛的安裝空間，可以為車輛提供更多能源，增大車輛續航里程。同時供氣系統自身重量對車輛有較大影響，因此對供氣系統進行減重有著重要的意義。減重主要考慮的是供氣系統中的框架部分，如何選擇更輕便但又滿足性能要求的框架結構尤為重要。

通過有限元法對供氣系統的框架進行力學分析，進而從力學分析角度對結構進行優化，為框架的減重提供有力的理論依據。為使產品在市場上更具有競爭性、經濟性奠定基礎 [1]。

1 結構優化

LNG雙氣瓶后置式框架總成固定在汽車的大梁上，其外圍框架是由不同尺寸的方鋼管焊接而成，四個鞍座固定在焊接架上來支撐LNG氣瓶。結合管材的標準外形尺寸，在原有的后置式雙氣瓶供氣系統框架的基礎上，對框架進行優化，達到減重的目的。具體方案如下：（1）頂部和兩側的方鋼管減薄，頂部的方鋼管由60×40×3mm改為60×40×2mm，兩側的方鋼管由60×60×3mm改為60×60×2mm;（2）鞍座底部板和鞍座上支撐組件底板厚度由6mm改為4mm;（3）取消頂層框架的加強筋。

2 框架有限元模型的建立

根據框架的實際尺寸結構建立三維幾何模型。將幾何模型以STP的格式導出，再導入到Hypermesh中，利用solid edit中的Boolean運算將框架剛性的連接為一個整體，用3D網格對其進行有限元網格劃分，建立框架的有限元模型。其中由于整個框架的焊點很密集，所以可以用Geom功能面板下剛性連接法來代替焊點。

簡化后的有限元模型289774個實體單元，95361個節點組成，單元類型：8節點六面體單元SOLID185;材料特性：材料密度為7.93kg/m3 ，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3[2]。

3 框架強度的有限元分析

將框架的有限元模型導入到ANSYS中，首先設置邊界條件，在底部固定梁與框架的接觸處設置全約束，即UX=0，UY=0，UZ=0。然后進行載荷施加，垂直方向仿真汽車在不平路面上的振動，水平方向仿真汽車急剎車或受到水平方向的沖擊。

對四個鞍座施加8倍雙氣瓶的重量，每個鞍座承受4倍的單瓶的重量，力的大小F=16000N。最后運用ANSYS對整個框架的有限元模型分別進行垂直受力和水平受力兩種情況的強度計算。圖1為垂直受力的等效應力云圖，圖2為水平受力的等效應力云圖，從計算結果可以看出優化后框架的垂直受力的最大應力值=68.2MPa，水平受力的最大應力值為=109.4MPa ≤[]，優化后框架在強度上滿足要求，說明此優化方案是可行的。

4 結論

根據分析的應力分布結果可知，框架上所有點的應力都未超過許用應力，變形也滿足剛度設計要求。即優化減重后的LNG供氣系統的框架是偏安全的，無論是從消除框架的應力方面，還是從框架結構方面都有減輕自重的余地，以免造成結構笨重、材料浪費。

利用有限元分析方法，在合理簡化模型，正確加載與約束下，可以快速和深入地對結構模型進行靜力分析，對不同方案的結構進行分析，并對計算機得出的應力值進行比較，對各方案作出評價后可以從中進行優選。

靜力分析是結構優化設計的關鍵，在以上有限元分析的基礎上，可以實現參數化建模，以框架總重為目標函數，以應力、應變為約束條件進行結構的優化設計。應用到LNG供氣系統的框架設計中，在保證加工精度和可靠性的前提下，最大限度的節省材料，降低產品成本，提高經濟性。

參考文獻：

[1]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]機械工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，1989.

[3]張莉.ANSYS在拖車車架剛強度分析中的應用[J].電子機械工程，1999，80（04）：34-37.

[4]王尚斌，孫宇，武凱.壓機框架有限元分析及結構優化[J].機械設計，2011，28（04）：80-83.