氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)動態(tài)強度分析

石添華

(廈門金龍旅行車有限公司， 福建 廈門 361022)

氫燃料電動客車若其儲氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在碰撞事故中受到破壞，可能會造成氫氣泄漏，從而引發(fā)火災，威脅車輛及人身安全[1-3]。因此，開展其氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)的動態(tài)強度性能分析工作顯得尤為重要。

1 技術(shù)方案

歐洲經(jīng)濟委員會頒布的ECE R134《氫能和燃料電池車輛》是關(guān)于氫燃料電池車輛安全性能相關(guān)的法規(guī)[4-5]。根據(jù)法規(guī)要求，出口至歐洲市場的客車需通過ECE R134認證。ECE R134法規(guī)具體要求：當城市客車攜帶充滿氫氣的氣瓶以被要求的速度行駛時，氫氣瓶的固定結(jié)構(gòu)需能夠承受住由碰撞力產(chǎn)生的氣瓶沖擊。本文仿真分析某款出口歐洲氫燃料城市客車儲氫系統(tǒng)碰撞后的固定結(jié)構(gòu)強度，評估其能否滿足ECE R134法規(guī)要求。

氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)包括橡膠圈、箍帶、螺栓、支座(由薄鋼板焊接而成)及支架，如圖1所示。為了更接近實際結(jié)構(gòu)及材料情況，仿真分析所用的主要材料屬性數(shù)據(jù)通過結(jié)構(gòu)及材料的拉伸試驗獲得；將氫氣瓶及其固定結(jié)構(gòu)三維CAD模型導入有限元軟件中建立CAE模型， CAE模型的邊界條件及加載過程根據(jù)ECE R134法規(guī)要求進行設置；仿真計算后，從后處理應力云圖考查結(jié)構(gòu)強度情況[6]。

圖1 氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)三維設計圖

2 結(jié)構(gòu)及材料拉伸試驗

氫氣瓶的主要固定件為箍帶、支座、支架和螺栓。其中箍帶、支座和支架采用Q345材料，密度為0.78 g/cm3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，標準屈服強度為345 MPa。為提高與實際試驗對標的精度，首先開展拉伸試驗獲得Q345材料的實際力學性能數(shù)據(jù)：根據(jù)GB/T 228—2002制作多個用于拉伸試驗的標準樣件，如圖2(a)所示，然后通過電子萬能材料試驗機對該批次樣件進行拉伸試驗以獲得一致的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)計算整理獲得圖3所示的材料應力-應變曲線。由該曲線可知，標準樣件的實際屈服應力為358 MPa。將該曲線輸入到仿真模型中以判斷固定結(jié)構(gòu)應力是否超過其屈服極限來評判其安全性。

圖3 材料應力-應變曲線

另外，為驗證固定結(jié)構(gòu)中的箍帶與螺桿的強度，對該焊接件樣品(如圖2(b)所示)進行拉伸試驗。試驗結(jié)果顯示，焊接處非常牢固，拉伸到一定程度后，箍帶鋼片先斷裂，說明焊接強度高于箍帶鋼片的強度，可以用圖3所得的屈服強度進行焊接件的安全性判斷。焊接件中使用的螺栓為8.8級，其屈服強度為640 MPa，抗拉強度為800 MPa。

3 仿真分析

3.1 有限元模型

運用有限元軟件HyperWorks建立氫氣瓶及其固定結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖4所示。在網(wǎng)格劃分中，將橡膠圈離散成實體單元，箍帶、氣瓶和支座均采用四邊形殼單元，并含有少量的三角形殼單元[7-8]。螺栓采用Beam單元模擬并設置螺栓材料的密度、彈性模量、屈服強度和抗拉強度；通過屬性設置螺栓的圓柱形狀和尺寸。箍帶和橡膠圈通過點面接觸來設置兩者的連接關(guān)系，組成支架方鋼間的焊接通過共節(jié)點方式模擬，支架與骨架的連接通過螺栓模擬。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 加載及邊界條件

在ECE R134法規(guī)中，要求當M3和N3型汽車攜帶充滿氣體的氣瓶并采用以下加速度行駛時，氣瓶固定結(jié)構(gòu)必須能夠消除撞擊所帶來的影響：① 機動車行駛方向6.6g；② 水平方向(垂直于行駛方向)5g[9]。

分析過程中，建立如下三維空間坐標系：+X為水平面內(nèi)車輛縱向向前行駛方向；+Y為水平面內(nèi)垂直于行駛方向指向駕駛員右側(cè)方向；+Z為垂直于水平面指向車輛上方方向。通過分別施加X方向6.6g加速度及Y方向5g加速度模擬模型承受的沖擊載荷。

模型中約束截取的車身骨架斷面區(qū)域X、Y、Z方向的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度，模擬氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)安裝在車身上[10]，如圖5所示，圖中圓圈處為約束位置。

圖5 邊界條件

3.3 仿真結(jié)果及分析

圖6為氫氣瓶在行駛方向及水平方向(垂直于行駛方向)上的位移，從曲線可以看出，氫氣瓶的位移很小，在1 mm范圍內(nèi)，可認為氣瓶處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 氫氣瓶位移量

另外，從應力云圖中可以看出，模型最大應力343.2 MPa出現(xiàn)在螺栓與支座的連接處，低于材料的屈服強度358 MPa。因此，該氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)強度滿足法規(guī)ECR R134標準要求。

4 結(jié)束語

本文以某款8 m出口氫燃料電動客車的氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)為研究對象，按照歐洲ECE R134的要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)及材料試驗和仿真分析，計算氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)的安全強度，為氫燃料客車氫氣瓶固定結(jié)構(gòu)的安全性設計提供依據(jù)。