車載輕量化鋁合金LNG框架有限元分析

高 慶

(山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子系，濰坊 261061)

在環(huán)境和能源的雙重壓力下，汽車產(chǎn)業(yè)正面臨減重、減排等重大變革，輕量化已成為汽車制造新時代的關(guān)鍵詞.車載LNG氣瓶框架裝置在整車上應(yīng)用時，大多是將其安裝于汽車車架的外側(cè)或駕駛室的后側(cè)，為了避免裝設(shè)在框架上的瓶體、儀表、閥體、管路等功能器件受到意外損傷和破壞，要求所有器件都必須安裝于框架的內(nèi)側(cè).現(xiàn)有的車載LNG框架多是由矩形鋼管和角鋼焊接而成，由于碳鋼材質(zhì)的鋼管和角鋼不僅重量大，而且必須做噴涂處理，否則,在潮濕環(huán)境下容易生銹,影響材料性能.因此,選用強度更高、重量更輕的新材料成為汽車輕量化的有效途徑[1]，同時,設(shè)計更合理的結(jié)構(gòu)，是零件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對零件進行結(jié)構(gòu)和工藝改進等[2]也能夠有效降低汽車的重量.鋁合金以其密度小、強度及剛度高等良好性能成為汽車輕量化的理想材料.針對某機械制造企業(yè)設(shè)計生產(chǎn)的車載鋁合金LNG框架，依據(jù)GB/T 20734-2006《液化天然氣汽車專用裝置安裝要求》的規(guī)定，對該框架進行有限元分析，以檢驗鋁合金LNG框架的位移和應(yīng)力值是否滿足要求.

1 模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)分析

此LNG框架的長寬高為1 245×2 370×1 900 mm，其結(jié)構(gòu)為焊接式，如圖1所示，主要包括：用于裝載LNG氣瓶的雙層框架，在雙層框架的底部設(shè)置有封板和左右縱梁總成，框架通過封板以及左右縱梁總成安裝在汽車底盤上，在框架內(nèi)設(shè)置有用于支撐氣瓶的鞍座，在鞍座上安裝有拉緊帶，拉緊帶可將位于支鞍座上的氣瓶固定在鞍座內(nèi)不晃動.整個LNG框架采用鋁合金6061-T6型材，密度為2.7 g/cm3,抗拉強度為310 MPa，屈服強度為276 MPa.鋁合金LNG框架整體質(zhì)量約為135 kg，約為碳鋼LNG框架質(zhì)量的1/3.

圖1 LNG框架三維模型圖

1.2 結(jié)構(gòu)簡化

在真實反映LNG框架主要力學(xué)性能的前提下，建模時,框架上的很多安裝板及附屬裝置忽略不計.另外，不考慮氣瓶內(nèi)液體流動的影響，框架承載區(qū)的載荷分布以及結(jié)構(gòu)上的小圓角等工藝因素也不考慮.

1.3 網(wǎng)格劃分

在真實反映該框架主要力學(xué)性能的前提下，盡可能地選取較少節(jié)點和單元[3]，對框架模型結(jié)構(gòu)進行簡化處理.在劃分網(wǎng)格時，考慮到計算的復(fù)雜性，在不影響計算精度的前提下，對于不同的結(jié)構(gòu)部位，不同厚度的連接處、應(yīng)力集中處等重要部位，網(wǎng)格劃分的密而細(xì)；對于加強板、圍板等部位則劃分的稀疏一些.最后得到LNG框架劃分好的模型，如圖2所示，共有182 021個單元，322 772個節(jié)點.

圖2 LNG框架有限元模型

2 約束與載荷的確定

LNG框架安裝于汽車底盤的車架上，左右縱梁的兩個外側(cè)面與汽車車架的內(nèi)側(cè)面緊緊地貼合在一起，所以,在施加載荷時，左右縱梁固定不動，對左右縱梁的兩個外側(cè)面約束UX(橫向)、UY(垂直方向)、UZ(縱向)[4].

依據(jù)GB/T 20734-2006[5]《液化天然氣汽車專用裝置安裝要求》的規(guī)定：4.2.2.4儲氣瓶安裝緊固后，在上、下、左、右、前、后6個方向上應(yīng)能承受8倍于滿載儲氣瓶總重量的作用力，儲氣瓶與固定座不應(yīng)有相對位移，儲氣瓶與固定座的固定點最大相對位移量不大于13 mm，緊固件不應(yīng)松動.對于350型號的氣瓶，滿載時的總質(zhì)量為416 kg.上鞍座上下、左右、前后方向承受8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力，下鞍座承受1倍滿載儲氣瓶總重量的作用力.LNG框架所承受的靜態(tài)力按照下列確定：①上鞍座上下方向承受8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力.②上鞍座左右方向承受8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力.③上鞍座前后方向承受8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力.

3 計算分析

將建立的力學(xué)模型，在SolidWorks simulation中進行邊界條件約束、加載和計算求解，得到不同情況下的LNG框架模型的位移和應(yīng)力云圖，如圖3-8所示.

圖3 上鞍座上下方向承受8倍重力時位移云圖

圖4 上鞍座上下方向承受8倍重力時應(yīng)力云圖

圖5 上鞍座左右方向承受8倍重力時位移云圖

圖6 上鞍座左右方向承受8倍重力時應(yīng)力云圖

圖7 上鞍座前后方向承受8倍重力時位移云圖

圖8 上鞍座前后方向承受8倍重力時應(yīng)力云圖

由圖3、4可知，當(dāng)上鞍座上下方向承受8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力，框架的頂端最大位移為2.6 mm，鞍座處的最大應(yīng)力為118.6 MPa.由圖5、6可知，當(dāng)上鞍座左右方向承受8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力，框架的頂端最大位移為15 mm，鞍座處的最大應(yīng)力為355.2 MPa.由圖7、8可知，當(dāng)上鞍座前后方向承受8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力，下鞍座承受滿載儲氣瓶總重量的作用力時，框架的頂端最大位移為9.1 mm，鞍座處的最大應(yīng)力為352.9 MPa.圖6中，框架頂端的位移超出GB/T 20734-2006《液化天然氣汽車專用裝置安裝要求》的規(guī)定，鞍座處的最大應(yīng)力也大于鋁合金6061T6的屈服強度.圖8中，鞍座處的最大應(yīng)力也大于鋁合金6061T6的屈服強度.

綜上所述，此LNG框架的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合GB/T 20734-2006《液化天然氣汽車專用裝置安裝要求》的規(guī)定.

4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)并分析

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合分析LNG框架的結(jié)構(gòu)及各部分的受力情況，對該LNG框架結(jié)構(gòu)主要做3方面的優(yōu)化(見圖6)：

(1)安裝鞍座的中間4根豎梁是主要的受力部件，因此,需要對其進行優(yōu)化設(shè)計.如果單純把矩形管的壁加厚，會增加框架整體重量，失去其輕量化設(shè)計的意義.優(yōu)化后，在鋁合金矩形管的內(nèi)側(cè)增加加強筋設(shè)計，這樣既不影響鋁合金矩形管外表面的美觀和應(yīng)用，又能增加其強度.

(2)中間4根豎梁與相關(guān)橫梁連接處的加強結(jié)構(gòu)也對LNG框架的強度起重要作用，因此,需要對其進行優(yōu)化設(shè)計.優(yōu)化前，中間4根豎梁采用筋板進行加強.優(yōu)化后，中間4根豎梁采用矩形管斜撐進行加強.此種優(yōu)化設(shè)計，斜撐的接觸面積和強度都大于筋板，而且采用斜撐加強使LNG框架更美觀.

(3)LNG框架底部的縱梁采用的是焊接結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中和焊接變形現(xiàn)象，因此,需要對其優(yōu)化設(shè)計.優(yōu)化前，縱梁采用槽鋁焊接封板的結(jié)構(gòu).優(yōu)化后，縱梁采用一次性擠壓成型的矩形管結(jié)構(gòu).此種優(yōu)化設(shè)計，能有效避免焊接變形和應(yīng)力集中，實用性強且在制作過程中，不會產(chǎn)生有害氣體，可有效保護操作人員的安全.

圖9 LNG框架優(yōu)化后三維模型圖及放大圖

4.2 優(yōu)化后分析計算

建立新的力學(xué)模型，在SolidWorks simulation中進行邊界條件約束、加載和計算求解，得到不同情況下的LNG框架位移和應(yīng)力云圖，如圖10-15所示.

由圖10、11可知，當(dāng)上鞍座處承受上下8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力，框架的頂端最大位移為2.5 mm，鞍座處的最大應(yīng)力為124.1 MPa.由圖12、13可知，當(dāng)上鞍座處承受左右8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力，框架的頂端最大位移為9.5 mm，鞍座處的最大應(yīng)力為171.9 MPa.由圖14、15可知，當(dāng)上鞍座處承受前后8倍滿載儲氣瓶總重量的作用力，下鞍座承受滿載儲氣瓶總重量的作用力時，框架的頂端最大位移為7.8 mm，鞍座處的最大應(yīng)力為210 MPa.

圖10 鞍座上下受8倍重力時位移云圖

圖11 鞍座上下受8倍重力時應(yīng)力云圖

圖12 鞍座左右受8倍重力時位移云圖

圖15 鞍座前后受8倍重力時應(yīng)力云圖

從圖16可知，模型優(yōu)化后相對于優(yōu)化前位移有明顯的減小.從圖17可知，模型優(yōu)化后相對于優(yōu)化前應(yīng)力值有明顯的降低.框架頂端的位移符合GB/T 20734-2006《液化天然氣汽車專用裝置安裝要求》的規(guī)定.鞍座處的應(yīng)力也滿足鋁合金6061T6的屈服強度要求.

圖16 優(yōu)化前后位移對比圖

圖17 優(yōu)化前后應(yīng)力對比圖

5 結(jié) 論

對鋁合金LNG框架的有限元分析，得到了框架各個位置處的位移和應(yīng)力大小，并以此為理論依據(jù)對框架進行了優(yōu)化設(shè)計.通過優(yōu)化設(shè)計后，可知該鋁合金LNG框架結(jié)構(gòu)滿足GB/T 20734-2006《液化天然氣汽車專用裝置安裝要求》的規(guī)定.利用三維有限元軟件進行優(yōu)化設(shè)計，能提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品的設(shè)計制造具有重要的指導(dǎo)意義.