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改装燃料电池大客车气瓶支架有限元分析

刊名 《青岛大学学报(工程技术版)》
作者 毛新凯 英文名 年,卷(期) 2017 年 , 第 4 期
主办单位 青岛大学 国内刊号 37-1268/TS 国际刊号 1006-9798
关键词 气瓶支架 有限元 静强度分析 ANSYS Workbench 入库时间 2018/1/12 16:39:25

改装燃料电池大客车气瓶支架有限元分析

氢气易燃易爆,因此针对氢气存储等辅助技术系统的研究对燃料电池汽车的发展越来越重要。本文研究的 燃料电池大客车承载质量较大,维持大功率运行所需的储氢系统体积大、载荷重,对车架整体强度的影响较大。 基于上述原因,校核承载气瓶的支架强度和刚度等是否满足车辆正常行驶的要求尤为重要?。国内学者对气瓶 支架的安全性和可靠性等特性进行了相关分析研究。王荣等人针对车顶气瓶支架点焊位置不同对螺栓连接疲 劳强度的进行分析,发现螺栓六角头处的点焊定位对支架的破坏较大;郭宇?对天然气气瓶支架进行静强度分 析,识别出结构断裂点和潜在失效点,并对结构进行改进;方红荣等人M基于损伤累积理论进行气瓶正弦振动分 析,得出结构的疲劳寿命预测。基于以上研究,本文按照气瓶支架强度的国家标准,对大客车行驶中的垂向颠簸、 前进制动、左右转弯3种典型工况进行仿真分析,判断其静强度和位移情况,对气瓶支架进行模态分析,检验支架 模型结构设计的合理性。该研究为燃料电池大客车的改装提供数据支持。

1气瓶支架有限元建模

1.1气瓶支架布置形式

由于氢气本身的性质,燃料电池汽车供气系统普遍存在一 定程度的微漏,而微漏的氢气在汽车密闭的空间内聚集会导致 巨大危险。基于此,国内外的大部分汽车厂商将氢气瓶组布置 在车顶,部分汽车厂商将氢气瓶组布置于车厢底部作为能 源存储装置,气瓶组为燃料电池汽车提供稳定可靠的氢气能源。 本研究采用两组气瓶组横向置于客车顶部的方案,车顶气瓶支 架布置图如图1所示。该布置方案可以降低车辆行驶过程中由 于氢气泄漏带来的危险,也方便后期的安装维修[M]。

1.2气瓶支架模型建立

本研究所采用的两组气瓶几何构造完全相同,前后对称布 置,受力情况基本相同。因此,只选用一组气瓶进行有限元仿真分析针对3种典型工况对燃料电池大客车

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进行仿真分析,建立如下三维空间坐标系:+X为水平面内车辆纵向向前行驶方向;+Z为水平面内垂直于行驶 方向指向驾驶员左侧方向;+Y垂直于水平面指向车辆上方,对支架底部U型钢板进行六自由度全约束[1°]。参 照欧洲天然气装置安装法规《关于天然气专用装置及安装有天然气装置的机动车的统一规定》[n]和国标GB/T 20734 - 2006《液化天然气汽车专用装置安装要求:设置典型工况下的加速度。

1) 垂向颠簸工况:通过坑洼路面产生垂直于地面的颠簸时,垂向加速度为2. 5 g(l g大小为重力加速度, 大小为9. 806 m/s2,下同),一Y方向。

2) 前进(倒车)制动工况:前进(倒车)制动时,纵向加速度为1 g(或0.35 g),一 X方向(或+ X方向)(对于 气瓶支架,前进、制动工况对其影响性质相同4旦前进工况更为严重,故后期仅针对前进工况进行分析)。

3) 左(或右)转弯工况:向左(或右)急转弯时侧向加速度为0. 75 g,+Z方向(或一Z方向)。

一组气瓶组支架的尺寸为450 mmXI 800 mmX

2 000 mm,每组有四个氢气瓶,每个气瓶容积为140 L,气瓶净重100 kg(由于气瓶内氢气的质量相比气瓶支架 较少,故将其忽略不计)。实际安装过程中气瓶通过箍带 和紧螺栓固定在支架上,支架与车顶同样采用螺栓连 接[13]。根据有限元分析的需要,对气瓶组细节特征进行 简化处理,建立的气瓶支架有限元模型如图2所示,其 中,4个气瓶分别用4个100 kg的质量点替代[14]。图中 A、B、C三处为支架应力和变形最大值出现的区域,其中 A区为左右两侧的箍带下端靠近支架区域,B区为左右 两侧的箍带上端区域,C区为支架左右两侧加强筋的中段。针对上述工况,分别对4个质量点施加2.5倍自身重力的静力,方向垂直向下(一Y方向);施加1倍自身重 力的静力,方向沿纵向向后(一X方向);施加0. 75倍自身重力的静力,方向沿侧向(+Z方向)[15^16]。

对氢气瓶支架进行网格划分,节点个数为236 826,单元格个数为116 072,全局单元尺寸8 mm。气瓶、支架 和箍带所选材料均为普通碳素结构钢,简记Q235,材料属性参数如表1所示[17]。

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2气瓶支架有限元分析

2.1气瓶支架静力分析

在3种典型工况下对气瓶支架进行受力分析,得出支架在3个区域内产生的最大应力与变形量。3种典型 工况下,支架的变形和应力分布情况如图3所示。

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气瓶支架在3种典型工况下的最大应力和变形量如表2所示。由表2可以看出,垂向颠簸工况下最大应力 发生在A区,最大应力为42 MPa,而最大变形则发生在C区,最大变形量为0. 726 mm;前进制动工

参考文献 (20 篇)

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