超大容積車載LNG氣瓶振動特性分析

楊樹斌，馬志鵬，夏 莉，李 蔚，李 偉，許海洋，劉培啟

(1．廣東省特種設備檢測研究院，廣東佛山 528251;2．大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧大連 116024)

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡稱LNG)是一種熱值高、價格低的清潔能源。隨著燃油成本、人力成本的不斷攀升以及航空運輸業的激烈競爭，傳統交通運輸業受到了巨大的沖擊。在傳統運輸業不斷尋求降低運營成本的機遇下，以LNG為燃料的液化天然氣汽車以其燃料價格低廉、清潔環保、續航里程長等方面的優勢，而受到世界各國汽車行業的普遍關注，成為企業繼續保持競爭活力的關鍵優勢之一。車載LNG氣瓶作為LNGV車載燃料系統的關鍵部分，也受到廣泛關注，一些研究機構、企業、高校加大了研發的力度［1－3］。

Sang－Kook Yun等［4］基于有限元理論方法對車載低溫絕熱氣瓶進行熱應力分析，Sang－Kook Yun等人通過在有限元軟件中設置接觸來模擬氣瓶的一端固定一端滑移的固定方式。李陽等［5］對車載LNG氣瓶受慣性載荷的作用下進行應力分析，并且在其應力集中區域進行了應力分類和評定。徐童非等［6］采用ANSYS軟件對車載LNG氣瓶在三種不同工況下進行支架結構應力分析，實現氣瓶支架的輕量化，優化后可減少大量經濟成本，提高效益。李萬暉［7］對車載LNG氣瓶結構尺寸的計算方法進行了詳細論述，并對車載LNG氣瓶結構、選材、絕熱性能和車輛處于不同工況下氣瓶內筒的應力應變規律進行研究。

上述研究推動了低溫絕熱氣瓶的發展，為氣瓶結構設計提供了手段。總結相關進展可以看出，車載低溫絕熱氣瓶的研究逐漸從靜態過渡到了動態分析。一方面由于靜力學分析已經較為成熟，另一方面，低溫絕熱氣瓶振動破壞是其實際運行中主要的破壞形式。產品檢驗過程中，實施振動試驗的目的就是模擬檢驗氣瓶在汽車運行條件下的振動響應情況，除了驗證支撐結構和管路系統的耐久性，還要驗證在路面激振頻率范圍內，結構是否發生共振。試驗數據顯示，低溫絕熱氣瓶振動試驗環節通過率較低［8］，是影響產品開發的重要環節。因此研究車載氣瓶的動力學響應，了解其共振頻率和振型特征，對于進一步優化車載氣瓶結構，避免因共振引起的破壞具有重要意義。目前關于氣瓶這方面的研究較少且都是針對小容積氣瓶，主要包括:韓國學者［9］采用有限元分析軟件MSC/MARC分別對某公司生產的車載LNG氣瓶進行了傳熱分析和熱應力分析，同時還對氣瓶的共振頻率進行了模擬計算，算出共振頻率遠超50 Hz。杜明廣［10］著重研究了車載LNG氣瓶在設計壓力下的靜力學分析、熱分析和失效分析，選擇不同于傳統設計方法的應力線性化校核方法，對結果進行了相應分析，并對氣瓶裝配模型進行了模態分析，初步判斷了其振動特性。劉德玉［11］對車載LNG氣瓶進行了靜力學分析，并考慮儲液量的不同，對內徑500 mm的車載LNG氣瓶進行了模態分析，在模態分析的基礎上進行車載LNG氣瓶的諧響應分析，得到了氣瓶的內膽在發動機激勵下的頻率響應曲線，對照模態分析結果，確定了車載LNG氣瓶的共振頻率。

隨著大型重卡汽車對燃料儲存設備容積要求的不斷加大，國內部分廠家正在研制超出標準允許容積范圍的產品，然而超大容積氣瓶抗振情況如何、傳統的支撐結構是否能夠滿足要求等卻鮮有報道。本文針對公稱容積超過國標范圍的1350 L圓柱型氣瓶，利用有限元軟件對其進行動態分析，從而獲得其振動特性數據，相關結果可對超標準的大容積LNG氣瓶的結構設計提供參考。

1 車載LNG氣瓶的簡介

車載LNG氣瓶主要由內膽、外殼、進出液系統、前支撐頸管組件、后支撐軸、后支撐板以及內膽與外殼之間多層纏繞的絕熱材料組成。內膽是承壓元件，內部還接入了加注噴淋管、液位探頭等。外殼起保護內部各構件作用，并支撐起整個瓶體。本文所研究的超大容積氣瓶主要尺寸包括:內膽的公稱直徑為950 mm、筒體長度為1600 mm，外殼的公稱直徑為1000 mm、筒體長度為1800 mm，內封頭是橢圓封頭，外封頭是蝶形封頭，內膽的筒體和封頭名義厚度為6mm，外殼的筒體和封頭名義厚度為5 mm。其結構示意圖(省略內部管路系統)如圖1所示。

1．1 車載LNG氣瓶的結構

圖1 車載LNG氣瓶結構示意圖

1．2 車載LNG氣瓶的發展趨勢

傳統的車載LNG氣瓶一般為小容積氣瓶，公稱容積在600 L以內［12］。隨著LNG汽車對于汽車重量以及長途運輸的要求，國內的相關企業從2015年開始加大對大容積車載LNG氣瓶的研究，目前市面上已經逐漸開始使用公稱容積為1000 L的大容積車載氣瓶。而且隨著重型卡車續航能力要求的不斷提高，公稱容積1000 L以上的超大容積氣瓶也已處于設計研發階段。

2 車載LNG氣瓶的模態分析

2．1 車載LNG氣瓶的模型建立

本氣瓶的設計溫度為－196℃，最高工作壓力均為1．59 MPa，絕熱方式采用高真空多層纏繞式，內外膽采用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10，密度為7930 kg/m3，屈服強度為205 MPa，抗拉強度為520 MPa，彈性模量為209 GPa，泊松比為0．278。根據尺寸參數和材料屬性對車載LNG氣瓶建立整體模型，模型對夾層保溫材料以及不承載壓力的管路進行簡化處理后如圖2所示，實體選用solid185單元，對于車載LNG氣瓶的封頭與封頭補強板之間、車載LNG氣瓶的后支撐處采用接觸設置，劃分網格后的有限元模型如圖3所示。

圖2 車載LNG氣瓶模型

圖3 車載LNG氣瓶有限元模型

采用模態分析方法對該結構進行初步動態分析，該方法是用來確定結構固有頻率以及振型的一種技術，主要分析結構本身的基本動力特性［13］。Block Lanczos法［14］是一種功能強大的方法，可以在絕大多數場合使用，經常應用于具有實體單元或殼單元的模型中，可以很好的處理剛性陣型，使用于提取中、大型模型(50000～100000個自由度)，提取超過40階模態時Block Lanczos法很有效，在具有或沒有初始截點時同樣有效(允許提取高于某個給定頻率的振型)。本文對氣瓶鋼帶固定的位置施加全約束，約束區域為圖2外殼筒體上的兩個環面，采用Block Lanczos法進行模態計算。

2．2 車載LNG氣瓶的模態分析結果及分析

表1 氣瓶的前十階固有頻率

模態分析得到氣瓶的前十階固有頻率如表1所示。

由于氣瓶的外殼由鋼帶固定在支座上，所以模態分析中外殼的振動幅度很小，變形不明顯。加之內膽處于簡支狀態，實際失效破壞都是由于內膽振動引起，因此本文提取振型時將外殼隱藏，只顯示內膽振型，以便研究其振動特性。考慮到高階振動較難引起，本文提取了車載LNG氣瓶內膽的前6階振型，對應的位移矢量圖(mm)如圖4所示。通過表1以及圖4可得:

圖4 車載LNG氣瓶前6階振型圖

1)氣瓶一階固有頻率為30．045 Hz，振型為徑向振動，最大變形的位置在內膽筒體;氣瓶二階固有頻率為58．247 Hz，振型為軸向竄動。

2)氣瓶三階固有頻率為97．934 Hz，振型為X方向擺動，且前支撐與內膽封頭連接處的振幅最大;氣瓶四階固有頻率為97．939 Hz，振型為Z方向擺動，且前支撐與內膽封頭連接處的振幅最大;氣瓶五階固有頻率為169．110 Hz，振型為X方向擺動，且前支撐變形較小，后支撐與內膽封頭連接處的振幅最大;氣瓶六階固有頻率為169．160 Hz，振型為Z方向擺動，且后支撐與內膽封頭連接處的振幅最大。

振動試驗的激振頻率范圍是8～40 Hz，該范圍是根據汽車行駛過程中實際振動情況確定的，若發現在這一頻率范圍內有共振的，應更改氣瓶設計，重新進行振動試驗。而所研究氣瓶的一階固有頻率處于該范圍內，另外二階固有頻率也比較接近該范圍，為了進一步確認氣瓶是否會因為該兩階共振導致破壞，本文對氣瓶進行了諧響應分析。

3 車載LNG氣瓶的諧響應分析

當系統受到的載荷隨時間而正弦變化時，為確定其發生的穩態響應的分析叫做諧響應分析［15］。諧響應分析與模態分析都是對系統的動力學特性進行研究，通過模態分析所得各階固有頻率來估計所施加載荷的頻率范圍，一般諧響應分析得到的系統共振頻率與其各階固有頻率相同，因此諧響應分析也是驗證模態分析準確性的一種方法。本文所分析的車載低溫絕熱氣瓶在使用中會受到發動機和路面不平度等激勵的影響，可能產生多個不同頻率范圍的簡諧振動激勵，據此對氣瓶進行以下諧響應分析。

根據2．2的模態分析可以看出氣瓶的固有頻率在30 Hz到212 Hz之間，因此通過對氣瓶內表面施加頻率為0．1～250 Hz的簡諧載荷。采用ANSYS中提供的模態疊加法來進行氣瓶的諧響應分析，選擇氣瓶內膽筒體中間部分的一個節點(圖1中節點N)作為響應觀測點，得到的位移響應曲線如圖5所示。

圖5 氣瓶中間節點N的位移響應

圖5 的縱坐標為氣瓶位移響應的絕對值，再對照模態分析的結果可以得到:

(1)氣瓶分別在頻率為58 Hz、97 Hz、170 Hz附近位移響應出現激增現象，這分別對應模態分析得到的二階、三階(四階)、五階(六階)固有頻率，說明模態分析中得到氣瓶的固有頻率和諧響應分析得到的共振頻率是一致的。

(2)氣瓶的軸向位移響應遠大于其他兩個方向，如圖5(b)所示在二階固有頻率附近發生共振現象導致y方向(軸向)的位移變形超過13mm，這與2．2模態分析中氣瓶的二階振型(軸向竄動)相對應，同樣地，其他高階固有頻率附近的共振也與各自模態振型相對應，這里不再累述。

(3)由模態分析可知，氣瓶的一階固有頻率在30 Hz附近，但是根據圖5可以看出，氣瓶在一階固有頻率附近未發生較大的共振現象，因此雖然氣瓶的一階固有頻率比較低，容易發生振動，但是實際并不會因發生共振而導致位移變形過大。

(4)氣瓶在二階固有頻率附近發生共振時位移響應達到最大，而高階固有頻率附近發生的共振明顯減小，這是由于振動的節點數量隨著振動階次的升高而增加，且激發高階振動的能量逐漸衰減，所以振動不再容易發生，位移響應也隨之減小。同時氣瓶二階振型為內膽沿軸向固定端產生明顯竄動，有可能造成后支撐桿和支撐板分離導致內膽脫落。因此我們在對LNG車載氣瓶進行結構優化設計中，應特別注意避開出現二階固有頻率值，從而避免氣瓶發生共振。

(5)氣瓶三階(四階)、五階(六階)模態均表現為氣瓶內膽以軸向支撐為固定點發生擺動，雖然頻率較高不易發生，但是振幅最大的位置位于內膽開孔區附近，是氣瓶結構的薄弱位置，在結構優化設計中應注意用增加補強圈厚度等方法提高這些部位的強度。

4 結論

本文通過對超大容積車載LNG氣瓶進行模態分析，分別獲得了各階固有頻率以及各階振型，并經過諧響應分析后得到了氣瓶的位移響應曲線，結合兩者的數據統一分析后可得到以下結論:

(1)氣瓶的一階固有頻率雖然比較低，容易發生振動，但是實際并不會因發生共振而導致位移變形過大。

(2)氣瓶二階固有頻率下發生共振時位移響應達到最大，且其振型為內膽沿軸向固定端產生明顯竄動，容易導致內膽脫落，在氣瓶設計時應保證此共振點不在8～40 Hz內，避免車載時發生共振。

(3)隨著模態階次的增加，氣瓶固有頻率增大，共振很難發生，但是氣瓶在三、四、五、六階頻率下發生振動時氣瓶前后軸向支撐與內膽封頭連接處的振動振幅最大，可能引起氣瓶失效，在氣瓶的結構優化設計中也應當予以重視。