扁長型車載LNG氣瓶振動(dòng)特性分析

劉培啟，許海洋，段 武2，李 偉3，李 倫

(1.大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧大連 116024；2.西安德森新能源裝備有限公司，西安 710043；3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東佛山 528251)

0 引言

車載LNG氣瓶是一種儲(chǔ)存液化天然氣(LNG)的深冷移動(dòng)式壓力容器[1-3]。隨著液化天然氣LNG的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，目前車載LNG氣瓶主要應(yīng)用于家庭轎車、公交車、長途汽車以及重型卡車中，為了保證行駛里程以及減少充裝次數(shù)，車載LNG氣瓶正趨向于大容積方向發(fā)展[4-5]。但是對于傳統(tǒng)圓筒形結(jié)構(gòu)的LNG氣瓶，由于其占用空間在寬度和高度方向相同，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，直徑很難再進(jìn)一步提高，致使體積存在一定極限，使汽車?yán)m(xù)航能力受限[6-7]。針對這種情況，部分廠家開始研發(fā)異形車載LNG氣瓶，例如扁長型車載LNG氣瓶，該氣瓶能夠通過增大橫向尺寸解決傳統(tǒng)圓形低溫絕熱氣瓶高度的問題，使得該種氣瓶用于車載時(shí)可以降低車頭轉(zhuǎn)彎半徑，放置于車體底部也不會(huì)因?yàn)榈妆P太低影響車體正常運(yùn)行，可滿足國家相關(guān)車輛運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)要求。

對異形截面壓力容器的研究主要有：楊從明[8]采用試驗(yàn)測量手段對異形壓力容器“水室”進(jìn)行了較全面的分析；文獻(xiàn)[9]中，以矩形截面容器為算例，得到容器的設(shè)計(jì)計(jì)算公式；麥郁穗等[10]推導(dǎo)出帶有筋條和分隔板的非圓斷面壓力容器近似解；金志浩等[11]以有限元法和分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，分析了某異形壓力管道復(fù)雜的應(yīng)力分布情況；Lee等[12]通過使用基于彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力的公式，提出了一種更精確的棱柱形壓力容器的工程解決方案；黃炎[13-14]采用塑性理論來計(jì)算各種異形截面容器的極限壓力和爆破時(shí)的壓力，可供此類容器設(shè)計(jì)或校核時(shí)參考。

除了需要考慮強(qiáng)度外，振動(dòng)破壞是低溫絕熱氣瓶實(shí)際運(yùn)行中的主要破壞形式。產(chǎn)品檢驗(yàn)過程中，實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)的目的就是模擬檢驗(yàn)氣瓶在汽車運(yùn)行條件下的振動(dòng)響應(yīng)情況，除了要驗(yàn)證支撐結(jié)構(gòu)和管路系統(tǒng)的耐久性，還要驗(yàn)證在路面激振頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)是否發(fā)生共振。因此，研究氣瓶的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、了解異形氣瓶的共振頻率和振型特征，對于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)車載氣瓶結(jié)構(gòu)、避免因共振引起的破壞具有重要意義。

有關(guān)氣瓶振動(dòng)性能的研究較少且都是針對小容積氣瓶，主要有：韓國學(xué)者[15]采用有限元分析軟件MSC/MARC分別對某公司生產(chǎn)的車載LNG氣瓶的共振頻率進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算出共振頻率遠(yuǎn)超50 Hz；杜明廣[16]利用Workbech軟件對氣瓶筒體進(jìn)行模態(tài)分析，得出前5階固有頻率以及前5階振型圖,并以此對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析，為避免氣瓶共振提供了依據(jù);劉德玉[17]考慮了儲(chǔ)液量的不同，對內(nèi)徑500 mm的車載LNG氣瓶進(jìn)行模態(tài)分析，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行車載LNG氣瓶的諧響應(yīng)分析，得到氣瓶的內(nèi)膽在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下的頻率響應(yīng)曲線，對照模態(tài)分析結(jié)果，確定了車載LNG氣瓶的共振頻率。

上述強(qiáng)度和振動(dòng)特性的研究可為異形LNG氣瓶發(fā)展提供借鑒，但是對異形氣瓶自身振動(dòng)特性的研究，目前鮮有報(bào)道。本文針對公稱容積為1 000 L的扁長型車載LNG氣瓶，利用有限元軟件對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從而獲得其振動(dòng)特性數(shù)據(jù)，相關(guān)結(jié)果可為異形氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 扁長型車載LNG氣瓶簡介

傳統(tǒng)的圓柱形車載低溫絕熱氣瓶主要由內(nèi)膽、外殼、進(jìn)出液系統(tǒng)、前支撐頸管組件、后支撐軸、后支撐板以及內(nèi)膽與外殼之間多層纏繞的絕熱材料組成。內(nèi)膽是承壓元件，內(nèi)部還接入了溫度計(jì)、液位探頭等；外殼起保護(hù)內(nèi)部各構(gòu)件作用，并支撐起整個(gè)瓶體。本文研究的扁長型氣瓶也含有上述結(jié)構(gòu)，不同的是扁長型氣瓶在內(nèi)膽筒體內(nèi)增加了一圓筒形的徑向支撐管，一方面提高氣瓶內(nèi)膽的承壓能力；另一方面起到防過沖的作用。扁長型氣瓶內(nèi)膽和外殼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 扁長型氣瓶內(nèi)膽和外殼截面示意

圖2 扁長型氣瓶結(jié)構(gòu)示意

內(nèi)膽截面長邊側(cè)板半長a=260 mm，內(nèi)半徑r=460 mm，筒體長度920 mm，內(nèi)膽筒體和封頭名義厚度t=28 mm；外殼a=285 mm，r=500 mm，筒體長度1 060 mm，外殼筒體和封頭名義厚度t=14 mm。扁長型車載LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)(省略內(nèi)部管路系統(tǒng))如圖2所示。

2 扁長型車載LNG氣瓶的模態(tài)分析

2.1 扁長型車載LNG氣瓶的模型建立

該氣瓶的設(shè)計(jì)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(nèi)外膽采用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10(304不銹鋼)，材料密度為7 930 kg /m3，屈服強(qiáng)度為205 MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.278。根據(jù)尺寸參數(shù)和材料屬性對扁長型車載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(jìn)行簡化處理后如圖3所示。

(a) (b)

圖3 扁長型LNG氣瓶模型

圖4 扁長型LNG氣瓶有限元模型

對車載LNG氣瓶的后支撐處采用接觸設(shè)置，模態(tài)分析會(huì)忽略非線性接觸，考慮到后支撐棒和支撐架初始狀態(tài)是接觸的，因此在后支撐處設(shè)置線性的不分離接觸，該接觸允許有小的軸向相對滑移。實(shí)體選用Solid 185單元，采用六面體網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖4所示。

采用模態(tài)分析方法(用來確定結(jié)構(gòu)固有頻率以及振型的一種技術(shù))對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步動(dòng)態(tài)分析，主要分析結(jié)構(gòu)本身的基本動(dòng)力特性[18]。Block Lanczos法是一種功能強(qiáng)大的方法，可以在絕大多數(shù)場合使用，經(jīng)常應(yīng)用于具有實(shí)體單元或殼單元的模型中，可以很好地處理剛性陣型，適用于提取中、大型模型(50 000～100 000個(gè)自由度)，提取超過40階模態(tài)時(shí)Block Lanczos法很有效，在具有或沒有初始節(jié)點(diǎn)時(shí)同樣有效(允許提取高于某個(gè)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(qū)域?yàn)閳D3(a)外殼筒體上的兩個(gè)環(huán)面，采用Block Lanczos法進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。

2.2 扁長型車載LNG氣瓶的模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析得到氣瓶的前10階固有頻率如表1所示。

由于氣瓶的外殼是由鋼帶固定在支座上，所以模態(tài)分析中外殼的振動(dòng)幅度很小，變形不明顯；加之內(nèi)膽處于簡支狀態(tài)，實(shí)際失效破壞都是由于內(nèi)膽振動(dòng)引起，因此本文提取振型時(shí)將外殼隱藏，只顯示內(nèi)膽振型，以便研究其振動(dòng)特性?？紤]到較難引起高階振動(dòng)，本文提取扁長型車載LNG氣瓶內(nèi)膽的前6階振型，對應(yīng)的位移矢量圖見圖5。

表1 氣瓶的前10階固有頻率

(a)一階

(b)二階

(c)三階

(d)四階

(e)五階

(f)六階

圖5 扁長型氣瓶前6階振型圖

通過表1和圖5可得到以下分析結(jié)果。

(1)氣瓶一階固有頻率為5.770 Hz，振型為繞軸線旋轉(zhuǎn)；氣瓶二階固有頻率為26.463 Hz，振型為z方向擺動(dòng)，且后支撐基本不變形，前支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大；氣瓶三階固有頻率為29.374 Hz，振型為x方向擺動(dòng)，且前支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大；氣瓶四階固有頻率為34.042 Hz，振型為軸向竄動(dòng)；氣瓶五階固有頻率為86.047 Hz，振型為z方向擺動(dòng)，且前支撐基本不變形，后支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大；氣瓶六階固有頻率為86.743 Hz，振型為以x方向擺動(dòng)，且后支撐與內(nèi)膽封頭連接處的振幅最大。

(2)當(dāng)扁長型氣瓶振型不變、最大振幅位置相同時(shí)(二階和三階、五階和六階)，對應(yīng)固有頻率的值很接近。

GB/T 34510—2017[19]中振動(dòng)試驗(yàn)的激振頻率范圍為8～40 Hz，該范圍是根據(jù)汽車行駛過程中實(shí)際振動(dòng)情況確定的，若發(fā)現(xiàn)在這一頻率范圍內(nèi)有共振的，應(yīng)更改氣瓶設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。從分析結(jié)果可看出，扁長型氣瓶的一、二、三、四階固有頻率均處于該范圍內(nèi)，為了進(jìn)一步確認(rèn)氣瓶是否會(huì)因?yàn)檫@幾階共振導(dǎo)致破壞，以下對氣瓶進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。

3 扁長型車載LNG氣瓶的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是當(dāng)系統(tǒng)受到的載荷隨時(shí)間而正弦變化時(shí)，為確定其發(fā)生的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析與模態(tài)分析都是對系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，通過模態(tài)分析所得各階固有頻率來估計(jì)所施加載荷的頻率范圍，一般諧響應(yīng)分析得到的系統(tǒng)共振頻率與其各階固有頻率相同，因此諧響應(yīng)分析也是驗(yàn)證模態(tài)分析準(zhǔn)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(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)和路面不平度等激勵(lì)的影響，可能產(chǎn)生多個(gè)不同頻率范圍的簡諧振動(dòng)激勵(lì)，據(jù)此對氣瓶進(jìn)行以下諧響應(yīng)分析。

根據(jù)第2.2節(jié)的模態(tài)分析可以看出氣瓶的固有頻率在5～164 Hz之間，為了涵蓋該固有頻率范圍，對氣瓶施加頻率為0.1～180 Hz的簡諧載荷，以觀察其響應(yīng)情況?？紤]到氣瓶的實(shí)際工作情況,激勵(lì)載荷采用豎直方向上(模型x方向)幅值為3g的振動(dòng)加速度，約束和模態(tài)分析相同，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02～0.06，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文取阻尼比為0.04，采用ANSYS中提供的完全法來進(jìn)行氣瓶的諧響應(yīng)分析。根據(jù)圖5的振型云圖，內(nèi)膽長端、前支撐、后支撐振動(dòng)位移最大，因此分別在這些部位取節(jié)點(diǎn)1,2,3(如圖4所示)作為響應(yīng)觀測點(diǎn)，得到位移響應(yīng)曲線如圖6～8所示。

圖6～8的縱坐標(biāo)為不同頻率下各節(jié)點(diǎn)相對于基礎(chǔ)的位移幅值，再對照模態(tài)分析的結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

(1)扁長型氣瓶分別在29,86 Hz附近位移響應(yīng)出現(xiàn)明顯峰值，分別對應(yīng)第2.2節(jié)中模態(tài)分析得到的二階(三階)、五階(六階)固有頻率，說明模態(tài)分析中得到氣瓶的固有頻率和諧響應(yīng)分析得到的共振頻率是一致的。

(2)扁長型氣瓶的x方向(豎直方向)的位移響應(yīng)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)方向，如圖7(a)所示，在三階固有頻率附近發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致x方向的位移變形超過15 mm，這與第2.2節(jié)模態(tài)分析中扁長型氣瓶的三階振型(以后支撐為固定點(diǎn)的x方向擺動(dòng))相對應(yīng)；同樣地，其他固有頻率附近的共振也與各自模態(tài)振型相對應(yīng)，這里不再贅述。

圖6 扁長型氣瓶節(jié)點(diǎn)1的位移響應(yīng)曲線

圖7 扁長型氣瓶節(jié)點(diǎn)2的位移響應(yīng)曲線

圖8 扁長型氣瓶節(jié)點(diǎn)3的位移響應(yīng)曲線

(3)由模態(tài)分析可知，氣瓶的一階固有頻率為5.770 Hz，但是根據(jù)以上3圖可以看出，氣瓶在一階固有頻率附近未發(fā)生較大的共振現(xiàn)象，這是由于扁長型氣瓶的一階振型為繞軸線的旋轉(zhuǎn)，而徑向支撐管的存在使氣瓶具有較好的抗內(nèi)膽扭轉(zhuǎn)能力，因此，雖然氣瓶的一階固有頻率比較低，容易發(fā)生振動(dòng)，但是實(shí)際并不會(huì)發(fā)生因共振而導(dǎo)致位移變形過大的情況。

(4)扁長型氣瓶在二階(三階)固有頻率附近發(fā)生共振時(shí)各個(gè)觀測點(diǎn)位移都非常大,并且振幅最大的位置是前支撐與內(nèi)膽封頭連接處，位于內(nèi)膽開孔區(qū)附近，是氣瓶結(jié)構(gòu)的薄弱位置，發(fā)生共振時(shí)十分危險(xiǎn)。

(5)隨著模態(tài)階次的提高，四階及其以上固有頻率附近發(fā)生的共振明顯減少，這是由于振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨著振動(dòng)階次的升高而增加，且激發(fā)高階振動(dòng)的能量逐漸衰減，所以振動(dòng)不再容易發(fā)生，位移響應(yīng)也隨之減小。

4 結(jié)論

通過對一種扁長型車載LNG氣瓶進(jìn)行模態(tài)分析，分別獲得了各階固有頻率以及各階振型，發(fā)現(xiàn)氣瓶的一、二、三、四階固有頻率處于振動(dòng)試驗(yàn)激振頻率范圍內(nèi)；然后通過諧響應(yīng)分析得到了氣瓶的位移響應(yīng)曲線，結(jié)合兩者的數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析后得到以下結(jié)論。

(1)車載情況下扁長型氣瓶發(fā)生共振時(shí)，豎直方向的位移響應(yīng)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向。

(2)雖然氣瓶的一階固有頻率比較低，容易發(fā)生振動(dòng)，但是實(shí)際并不會(huì)發(fā)生因共振而導(dǎo)致位移變形過大的情況。

(3)扁長型氣瓶在二階(三階)固有頻率附近發(fā)生共振時(shí)位移響應(yīng)達(dá)到最大,并且振幅最大的位置是前支撐與內(nèi)膽封頭連接處，發(fā)生共振時(shí)十分危險(xiǎn)。

(4)隨著模態(tài)階次的提高，氣瓶在四階及其以上固有頻率附近發(fā)生共振時(shí)的位移響應(yīng)減小，用于車載時(shí)較難發(fā)生類似共振情況。