70 MPa車用氫氣瓶閥外部激勵(lì)載荷下的可靠性研究

李樹勛 王宜雪 楊玲霞 康雯宇

（1.蘭州理工大學(xué)，石油化工學(xué)院，蘭州 730050；2.機(jī)械工業(yè)泵及特殊閥門工程研究中心，蘭州 730050）

主題詞：高壓氫氣瓶閥 外部激勵(lì) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 疲勞強(qiáng)度 可靠性

1 前言

車載儲氫系統(tǒng)是氫能燃料電池汽車的重要組成部分。高壓氫氣瓶閥作為車載儲氫系統(tǒng)的重要組件，直接連接在儲氫氣瓶上，有密封氣瓶和啟閉高壓氣體的作用，對保障氫燃料電池汽車安全運(yùn)行具有重要作用。汽車行駛過程中，高壓氫氣瓶閥在急轉(zhuǎn)彎、緊急制動和顛簸等特殊路況下承受慣性沖擊和道路隨機(jī)振動載荷作用，閥門的可靠性與穩(wěn)定性將受到影響，大概率會造成閥門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度失效問題。因此，研究高壓氫氣瓶閥在多種外部激勵(lì)載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度對其可靠性分析具有指導(dǎo)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在外部激勵(lì)載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、疲勞強(qiáng)度分析及可靠性研究等方面取得了一定成果。目前，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞分析的方法主要有時(shí)域法和頻域法。吳趙佳等采用雨流計(jì)數(shù)法并運(yùn)用Miner 理論對襯套疲勞壽命進(jìn)行了分析計(jì)算。劉芬等采用時(shí)域法并結(jié)合Miner理論和雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法，分析了焊縫及母材的隨機(jī)振動疲勞壽命。時(shí)域法需循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)算量較大，因此目前大部分學(xué)者采用頻域法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞分析。龔蘇生等采用頻域法對空調(diào)管路進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞分析，找出了引起管路疲勞失效的主要原因。R.Kendre采用頻域法對啟動電機(jī)進(jìn)行了隨機(jī)振動分析。目前沒有針對汽車在路面行駛過程中各種外部激勵(lì)載荷作用下的高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度研究，本文運(yùn)用ANSYS 有限元軟件分析計(jì)算新能源汽車在顛簸、緊急制動和急轉(zhuǎn)彎等道路行駛過程中慣性沖擊載荷作用下高壓氫氣瓶閥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并根據(jù)高斯分布和Miner 法則，運(yùn)用頻域法分析計(jì)算道路隨機(jī)振動載荷作用下高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，為高壓氫氣瓶閥安全可靠運(yùn)行研究提供參考。

2 隨機(jī)振動疲勞分析理論

表1 基于高斯三區(qū)間法的隨機(jī)振動應(yīng)力分布

高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)的疲勞損傷度為：

式中，n為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷時(shí)的實(shí)際循環(huán)次數(shù)；N為材料-曲線上當(dāng)應(yīng)力為時(shí)對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；、、分別為材料-曲線上應(yīng)力1、2、3對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；、、分別為應(yīng)力為1、2、3時(shí)對應(yīng)的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。

結(jié)構(gòu)不發(fā)生疲勞損傷破壞時(shí)，<1，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷破壞時(shí)，=1。

3 高壓氫氣瓶閥有限元模型

3.1 材料屬性

高壓氫氣環(huán)境會對材料產(chǎn)生一定的劣化作用，6061-T6 鋁合金材料具有質(zhì)量輕、抗氫脆、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，用作高壓氫氣瓶閥主閥體材料，同時(shí)選擇對氫氣敏感度較低的316L 不銹鋼材料用作截止閥閥體、閥芯和螺栓材料，力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 材料力學(xué)性能參數(shù) MPa

3.2 有限元模型建立

通過對大量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品的調(diào)研，針對氫燃料電池汽車的動力系統(tǒng)中供氫閥關(guān)鍵問題，本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)如圖1所示的70 MPa車用氫氣電磁組合閥，其工作壓強(qiáng)為70 MPa，極限工作壓強(qiáng)可達(dá)87.5 MPa。對模型進(jìn)行合理簡化，分析外部激勵(lì)載荷作用下高壓氫氣瓶閥主閥體與截止閥部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性，有限元分析模型如圖2所示。

圖1 70 MPa車用氫氣電磁組合閥結(jié)構(gòu)示意

圖2 高壓氫氣瓶閥有限元模型

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，最終確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為531 886 個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)量為356 393個(gè)，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 高壓氫氣瓶閥網(wǎng)格模型

4 有限元分析

4.1 慣性沖擊載荷下的高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

車輛在顛簸路面行駛時(shí)，會遇到2 種典型工況，即顛簸+緊急制動工況和顛簸+急轉(zhuǎn)彎工況。車輛受到的慣性沖擊載荷將傳遞到高壓氫氣瓶閥，本文分別對車輛在以上2種典型工況下運(yùn)行時(shí)高壓氫氣瓶閥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

4.1.1 邊界條件與載荷

假定實(shí)際工況下車架上的儲氫氣瓶固定不搖動，高壓氫氣瓶閥主閥體2外螺紋連接部位設(shè)置為固定約束，主閥體2與截止閥10螺紋連接處設(shè)置接觸類型為摩擦，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，車輛在2 種典型工況下的加速度載荷如表3所示，根據(jù)表3分別對高壓氫氣瓶閥各方向施加不同的加速度載荷。

表3 2種典型工況下的加速度 g

4.1.2 慣性沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

圖4、圖5 所示分別為高壓氫氣瓶閥在2 種典型路況下受慣性沖擊載荷作用的應(yīng)力及變形云圖。

由圖4、圖5可知，高壓氫氣瓶閥在2種典型工況下的應(yīng)力及變形均主要分布在螺紋連接處，2種工況下的最大應(yīng)力分別為63.71 MPa和66.18 MPa，最大應(yīng)力均分布在截止閥閥體靠近端面的第1 個(gè)螺牙根部位置，2 種工況下最大變形量分別為4.16 μm和4.21 μm。

圖4 顛簸+緊急制動工況下應(yīng)力和變形云圖

圖5 顛簸+急轉(zhuǎn)彎工況下應(yīng)力和變形云圖

進(jìn)一步對各螺牙受力情況進(jìn)行分析，如圖6所示，2種工況下不同螺牙根部應(yīng)力變化曲線描繪了螺紋連接處的強(qiáng)度變化過程，可知在2種工況下從第1螺牙至第9螺牙根部的應(yīng)力均呈現(xiàn)減小趨勢。

圖6 2種工況下不同螺牙根部應(yīng)力變化曲線

由以上分析可知，汽車在上述2 種路況下行駛時(shí)，高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)薄弱位置均為閥體螺紋連接處，該處應(yīng)力遠(yuǎn)超過其他位置，但未超過材料許用應(yīng)力，則高壓氫氣瓶閥的安全可靠性在上述2 種工況中均可得到保證。

4.2 隨機(jī)振動載荷下的高壓氫氣瓶閥疲勞強(qiáng)度分析

4.2.1 邊界條件與載荷

首先在截止閥與主閥體接觸的上端面施加軸向預(yù)緊力21 103.90 N，在閥內(nèi)氣體通道施加最大工作壓強(qiáng)87.5 MPa，并將截止閥與主閥體螺紋連接部位的接觸類型設(shè)置為摩擦，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析；然后將靜力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入進(jìn)行模態(tài)分析；最后將結(jié)果導(dǎo)入進(jìn)行隨機(jī)振動分析，施加GB/T 4857.23—2021《包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)第23部分：垂直隨機(jī)振動試驗(yàn)方法》中4種不同路況的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）激勵(lì)，即中國地區(qū)部分公路隨機(jī)振動PSD、ISO 13355:2001 公路隨機(jī)振動PSD、ASTM D4728-06 公路隨機(jī)振動PSD、ISTA 3A 公路隨機(jī)振動PSD，同時(shí)設(shè)置阻尼，取計(jì)算阻尼比為0.02。

4.2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析使用分塊蘭索斯（Block Lancos）法，分析得到結(jié)構(gòu)的前12階模態(tài)振型及固有頻率，其中前6階模態(tài)的固有頻率如表4所示。

表4 前6階固有頻率及其振型

4.2.3 隨機(jī)振動載荷下的疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

中國公路路況PSD 激勵(lì)三軸加載下高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)的1馮·米塞斯（von Mises）應(yīng)力云圖如圖7 所示，由圖7可知，最大1應(yīng)力分布在第1個(gè)螺紋位置處。因螺紋連接部位易發(fā)生振動，使得螺紋連接處的1應(yīng)力相對較大。

圖7 三軸加載時(shí)結(jié)構(gòu)的1σ von Mises應(yīng)力云圖

對高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)分別沿、、軸方向單獨(dú)加載隨機(jī)振動激勵(lì)譜得到的1von Mises 應(yīng)力最大值均位于截止閥閥體第1個(gè)螺紋位置，各方向加載激勵(lì)后的最大1、2、3von Mises應(yīng)力結(jié)果如表5所示。由表5可知，三軸同時(shí)施加激勵(lì)下的應(yīng)力大于某一單軸施加激勵(lì)下的應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)在三軸隨機(jī)振動下的受力狀態(tài)差。本文基于Miner 法則和高斯三區(qū)間法對高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)在三軸隨機(jī)激勵(lì)下的疲勞強(qiáng)度開展分析計(jì)算。

表5 單軸與多軸加載下的最大von-Mises應(yīng)力 MPa

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)的三軸隨機(jī)振動應(yīng)力結(jié)果，同時(shí)結(jié)合6061-T6 材料的曲線，如圖8 所示，查得1、2及3應(yīng)力下相應(yīng)的、、分別為1.19×10次、6.57×10次及2.86×10次。根據(jù)表1 中的實(shí)際循環(huán)次數(shù)公式和式（1），可求得1、2及3von Mises疲勞損傷值，高壓氫氣瓶閥在三軸同時(shí)加載隨機(jī)激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的PSD響應(yīng)曲線如圖9所示，獲得該點(diǎn)最危險(xiǎn)的振動頻率為6.368 Hz。

圖8 6061-T6材料S-N曲線

圖9 高壓氫氣瓶閥螺紋連接處最危險(xiǎn)點(diǎn)的PSD響應(yīng)曲線

計(jì)算高壓氫氣瓶閥在三軸同時(shí)加載隨機(jī)激勵(lì)時(shí)結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞損傷度為：

由以上結(jié)果可知，高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞損傷度遠(yuǎn)小于1，因此所設(shè)計(jì)的閥門結(jié)構(gòu)在中國地區(qū)部分公路隨機(jī)振動PSD激勵(lì)下的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

對高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)加載其余3 種路況的PSD 激勵(lì)，獲得結(jié)構(gòu)的最大1von Mises 均位于截止閥閥體靠近介質(zhì)壓力作用面的第1 個(gè)螺牙根部。為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)薄弱部位的應(yīng)力變化情況，分別對4種路況PSD激勵(lì)加載下截止閥閥體螺牙根部的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得到4種PSD激勵(lì)下不同螺牙的1von Mises應(yīng)力變化曲線如圖10所示。由圖10可知：結(jié)構(gòu)在中國地區(qū)部分公路隨機(jī)振動PSD激勵(lì)下第1個(gè)螺牙根部的1von Mises應(yīng)力值最大，為3.057 MPa；在ASTM D4728-06 公路隨機(jī)振動PSD 激勵(lì)下第1 個(gè)螺牙根部的1von Mises 應(yīng)力值最小，為1.435 MPa；在4 種PSD 激勵(lì)三軸加載下，從第1 螺牙至第9 螺牙的1σ von Mises 應(yīng)力分布均呈減小趨勢。

圖10 4種PSD激勵(lì)三軸加載下不同螺牙1σ von Mises應(yīng)力變化曲線

高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)在4 種PSD 激勵(lì)三軸加載下的疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果如表6所示，由表6可知，結(jié)構(gòu)在4種PSD激勵(lì)三軸加載下的疲勞強(qiáng)度均滿足要求。

表6 高壓氫氣瓶閥三軸加載下的疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用有限元仿真方法分析計(jì)算了在2 種典型路況下行駛時(shí)高壓氫氣瓶閥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并基于Miner法則和高斯分布，采用頻域法計(jì)算了4種PSD激勵(lì)下高壓氫氣瓶閥結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，得到以下結(jié)論：自主設(shè)計(jì)的高壓氫氣瓶閥在2 種特殊路況下的最大等效應(yīng)力分別為63.71 MPa和66.18 MPa，均小于該處材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求；在4 種PSD 激勵(lì)下的疲勞損傷度均小于1，疲勞強(qiáng)度均滿足要求。該方法可為高壓氫氣瓶閥安全可靠運(yùn)行研究提供參考。