重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

中圖分類號(hào)：U46 收稿日期：2025-05-15 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.005

Finite Element Analysis of the Support Structure for Heavy-Truck Hydrogen Storage Cylinders

Xie Yichen1Niu Zheng1Wang Xinyu2Fu MinbolYang YulinglZhao Yalei1 1.Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 23oo31，China 2.WeichaiPower Co.，Ltd.，Weifang，China

Abstract：Ascriticalload-bearingcomponentsofhydrogenstoragesystemsforheavy-dutytrucks，themechanicalperformanceof thehydrogencylinderbundlesupportstructuredirectlyimpactsthesafeandstableoperationofteentiresystem.Thisstudyemployfniteelementanalysistoestablishasiulationmodelofthehydrogencyldersupportstructure.AsystematicinvestigationwascoductedonitsfirstsiderodalracteristiaturalfqucydistrbutiopaesndsoacebioAcelerationsctralde sity（ASD）responsewasevaluatedusingstandardroadexcitationspectra，whilestressfielddistributionanddeformation-sensitive zonesofthesupportstructurewereanalyzedundervariousinertialloadingconditions.Structuraltressintegritywasassessdthrough plasticcollpseandlocaloverstraincriteria.Theresearchoutcomesprovideesentialdatareferencesforvibrationsuppressiondesign and stress intensity optimization of on-board hydrogen storage equipment.

Keywords：Heavy-truck hydrogen storagesystem;Support structure;FEA;Load-bearingreliabilityanalysis

1前言

氫燃料汽車憑借其零碳排、高能量密度和高效補(bǔ)能等優(yōu)勢(shì)，正成為新能源汽車發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)1]，安全高效的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是氫燃料汽車?yán)玫年P(guān)鍵[2]。

在復(fù)雜載荷作用下車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)典型承載工況包括高壓介質(zhì)引起的準(zhǔn)靜態(tài)載荷、外部沖擊載荷及路面譜激勵(lì)引發(fā)的寬頻振動(dòng)等[3]。作為車架-儲(chǔ)氫模塊的力學(xué)傳遞部件，支撐結(jié)構(gòu)需要在保證結(jié)構(gòu)剛度的前提下，有效降低振動(dòng)荷載對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的影響。

在移動(dòng)式壓力容器支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，學(xué)界已取得系列研究進(jìn)展：徐童非等4設(shè)計(jì)的新型的LNG輕量化支架實(shí)現(xiàn)減重 22.5% ；孫晨浩等[5]和高慶等[6基于變密度法對(duì)LNG車載氣瓶支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和響應(yīng)面優(yōu)化，優(yōu)化后支架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和質(zhì)量分別降低 26.54% 和 27.52% ；劉夢(mèng)潔等7運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)尺寸優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)對(duì)管束式集裝箱框架結(jié)構(gòu)的輕量化改進(jìn)，并結(jié)合顯示動(dòng)力學(xué)模擬揭示側(cè)翻撞擊工況下的漸進(jìn)失效機(jī)理。以上研究雖取得顯著成果，但大多為L(zhǎng)NG氣瓶支架，針對(duì)重卡的車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的專項(xiàng)研究比較欠缺。

為探究本課題重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)方案的承載可靠性，驗(yàn)證其在各行駛工況下的安全服役規(guī)律，本文建立有限元模型研究支撐結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)功率譜分析和在慣性載荷下的靜力學(xué)響應(yīng)特性。研究成果彌補(bǔ)了車載儲(chǔ)氫IV瓶支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究空白，可為氫能運(yùn)輸裝備的振動(dòng)抑制拓?fù)鋬?yōu)化與疲勞壽命預(yù)測(cè)奠定力學(xué)分析基礎(chǔ)。

2有限元建模

根據(jù)課題實(shí)際選用裝車工況，某型重卡車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)由1組 70MPa 儲(chǔ)氫IV型瓶的鞍座和支撐架構(gòu)成，主體結(jié)構(gòu)材料為Q235B鋼。對(duì)鞍座和方鋼焊接處等結(jié)構(gòu)不連續(xù)和應(yīng)力集中部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，保證計(jì)算精度同時(shí)提高計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分有2598840個(gè)節(jié)點(diǎn)，622036個(gè)單元。網(wǎng)格質(zhì)量為0.79，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)幾何模型及網(wǎng)格劃分

3有限元結(jié)果與分析

3.1模態(tài)分析

本文采用BlockLanczos法對(duì)車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，使用稀疏矩陣方程求解器，求解速度快、精度高。通過模態(tài)分析獲得的重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，不僅是評(píng)價(jià)支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的重要參考依據(jù)，也是其他更進(jìn)一步動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析在支架底部施加固定約束，方鋼間設(shè)置Bonded接觸。

重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)前6階固有頻率集中分布在 10～42Hz 范圍內(nèi)。由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，1、2階固有頻率相差不大，分別為 10.34Hz 和 13.97Hz ，振型分別為一階橫向彎曲和橫向扭轉(zhuǎn)，最大變形位置出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處和頂部支撐架中部，位置參考圖1;3、4、5階固有頻率相差不大，分別為 33.79Hz，34.51Hz 和34.94Hz 。3階振型為橫向彎曲，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。4階振型為縱向扭轉(zhuǎn)，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。5階振型為二階縱向扭轉(zhuǎn)，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。6階固有頻率為41.06Hz ，振型為縱向竄動(dòng)，最大變形出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)中部鞍座處。

重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)模型的固有頻率隨著模態(tài)階數(shù)的增加而增大，模態(tài)振型是由縱向和橫向振動(dòng)組合而成的多波多維振動(dòng)。大部分振型呈現(xiàn)出正弦波的彎曲模態(tài)，大變形位置主要集中在鞍座上。模型的前6階固有頻率均在 10～42Hz 范圍內(nèi)，有效質(zhì)量系數(shù)79.46% ，參與振型足夠。此外，各階模態(tài)的有效質(zhì)量決定了其在振動(dòng)系統(tǒng)中的重要程度，儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)1階固有頻率和2階固有頻率的模態(tài)質(zhì)量最大，占總質(zhì)量的99% 以上，外界存在相同頻率的微小激勵(lì)就可能引起較大的共振現(xiàn)象。大多數(shù)振型的最大變形位置位于鞍座處，主要原因是鞍座處結(jié)構(gòu)較薄，剛度較小，容易發(fā)生較大變形。

3.2隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析是基于功率譜密度的譜分析。由于路面不平整，重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)在行駛過程中產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)可能導(dǎo)致鋼架變形、連接件松脫等服役失效問題。通過隨機(jī)振動(dòng)仿真分析可預(yù)測(cè)系統(tǒng)在路譜下的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)，分析系統(tǒng)的服役穩(wěn)定性。本文參考GB/T7031—2005《機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》[8]中的路面加速度功率譜密度（power spectral densityPSD）：

G_a（n）=（2πn）⁴G_d（n）

式中， G_a（n） 為加速度 PSD，m^-1;n 為空間頻率， m^-1 ·G_d（n） 為位移 PSD，m³ 。

將式（1）空間相關(guān)的加速度PSD轉(zhuǎn)化為時(shí)間相關(guān)的加速度PSD，則：

G_q（f）=16π⁴n_c²f²vG_d（n_c）

式中， G_q（f） 為時(shí)間相關(guān)加速度PSD， （m/s²）²/Hz;n_c 為倍頻程中心空間頻率， m^-1;v 為車輛行駛速度，取 54km/h ·f 為時(shí)間頻率， 用以下公式求?。?/p>

f=n_cv

選擇B級(jí)（混凝土路）和D級(jí)（碎石路）道路為研究對(duì)象，參考GB/T7031—2005《機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》提供的不同道路位移功率譜密度的幾何均值（假設(shè)速度功率譜密度是常數(shù)）。

由于車輛自帶減震系統(tǒng)，傳遞到重卡儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)上的路面激勵(lì)存在衰減，本文取車輛減震系統(tǒng)的密度衰減系數(shù) 70% 確定衰減后的時(shí)間相關(guān)的加速度PSD，兩種路面下的 G_q（f） 如表1所示。輸入各頻率及對(duì)應(yīng)加速度PSD，模擬重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)分別受B、D路面激勵(lì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)的響應(yīng)。 1σ 下（置信概率為68.3% ）結(jié)構(gòu)的豎直方向振動(dòng)變形和等效Mises應(yīng)力云圖如圖2、圖3所示。兩種路況的豎直方向振動(dòng)變形最大值均位于支撐結(jié)構(gòu)頂端橫梁中部，B級(jí)路面豎直方向上最大振動(dòng)變形為 0.004 1mm，D 級(jí)路面豎直方向上最大振動(dòng)位移為 0.016mm ；兩種路況的等效Mises應(yīng)力最大值均位于支撐結(jié)構(gòu)側(cè)邊橫梁與縱梁焊接處，分別為 0.27MPa 和 1.07MPa 。

B級(jí)和D級(jí)路面各頻率下的加速度響應(yīng)PSD仿真結(jié)果如圖4所示，兩種路譜下的響應(yīng)特性規(guī)律相似。

表1衰減后的時(shí)間相關(guān)的加速度PSD

加速度響應(yīng)PSD較大，在 0～23Hz 區(qū)間內(nèi)加速度響應(yīng)PSD隨頻率的升高逐漸減小，在 23～48.6Hz 區(qū)間內(nèi)加速度響應(yīng)PSD隨頻率的升高逐漸增大，隨后加速度響應(yīng)PSD隨頻率的升高迅速降低，在 48.6Hz 下加速度響應(yīng)PSD達(dá)到極值：B級(jí)、D級(jí)路面分別為0.000179（m/s²）²/Hz 和 0.0011（m/s²）²/Hz 。重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)下響應(yīng)層次較低。

圖2重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)豎直方向振動(dòng)變形

圖4各頻率下加速度響應(yīng)PSD仿真結(jié)果

圖6重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力分布

3.3慣性載荷工況分析

根據(jù)TSGR0005—2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，將大容量?jī)?chǔ)氫瓶及其支撐結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸工況中所承受的慣性載荷分為四種情況：工況一為緊急制動(dòng)，沿運(yùn)動(dòng)方向2倍重力加速度的慣性載荷；工況二為緊急轉(zhuǎn)向，沿與運(yùn)動(dòng)方向水平垂直方向 2g 的慣性載荷；工況三為通過凸臺(tái)，沿豎直向上方向 _1g 的慣性載荷；工況四為通過凹坑，沿豎直向下方向 2g 的慣性載荷。

四種工況下重卡儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的總位移和Mises應(yīng)力分布如圖5、圖6所示。不同工況下儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)點(diǎn)的位置均集中于結(jié)構(gòu)上部（剛度相對(duì)較?。?duì)比可知，緊急轉(zhuǎn)向時(shí)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最大，為1.66mm ，整體結(jié)構(gòu)向車輛轉(zhuǎn)彎方向?qū)?cè)傾倒，是行駛過程中的危險(xiǎn)工況。不同工況下儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力響應(yīng)點(diǎn)的位置有所差異，主要分布在結(jié)構(gòu)中下部。對(duì)比可知，緊急轉(zhuǎn)向時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)最大，為296.68MPa 。

圖3重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)等效Mises應(yīng)力

圖5重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的總位移分布

考慮到模型方鋼壁厚方向尺寸遠(yuǎn)小于其他方向，可參考GB/T4732.4《壓力容器分析設(shè)計(jì)第4部分：應(yīng)力分類方法》9]對(duì)重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。載荷組合系數(shù) K 取 和 S_III 的許用極限 （S_PL） 為材料的屈服強(qiáng)度。重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定結(jié)果如表2所示。局部過度應(yīng)變?cè)u(píng)定要求一次應(yīng)力的3個(gè)主應(yīng)力代數(shù)和需小于等于4倍許用應(yīng)力。4個(gè)工況下3個(gè)主應(yīng)力代數(shù)和分別為 460.3MPa?366.6MPa?51.2MPa 、102.4MPa ，均小于4倍許用應(yīng)力（ 668MPa） ，各工況局部過度應(yīng)變?cè)u(píng)定通過。

表2重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

4結(jié)語

本文使用有限元方法，從模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)和慣性載荷等方面分析了某型重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況，得出結(jié)論如下：

a.重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)前6階固有頻率集中分布在 10～42Hz 間，1～6階振型特征分別為一階橫向彎曲、一階橫向扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲、縱向扭轉(zhuǎn)、二階縱向扭轉(zhuǎn)和縱向竄動(dòng)。

b.基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的路譜公式對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析， 1σ 下B級(jí)路面和D級(jí)路面的豎直方向振動(dòng)位移危險(xiǎn)點(diǎn)均位于支撐結(jié)構(gòu)頂端橫梁中部；兩種路況的等效Mises應(yīng)力最大值均位于支撐結(jié)構(gòu)側(cè)邊橫梁與縱梁焊接處，其中D級(jí)路面的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)更大。

c.在緊急制動(dòng)、緊急轉(zhuǎn)彎、通過凸臺(tái)、通過凹坑等工況下支撐結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)點(diǎn)均集中于結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小的上部，最大應(yīng)力響應(yīng)點(diǎn)主要分布在結(jié)構(gòu)中下部。緊急轉(zhuǎn)向時(shí)整體結(jié)構(gòu)向車輛轉(zhuǎn)彎方向?qū)?cè)傾倒，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最大，是行駛過程中相對(duì)危險(xiǎn)的工況。各慣性載荷工況下的響應(yīng)結(jié)果通過基于應(yīng)力分類方法的塑性垮塌和局部過度應(yīng)變?cè)u(píng)定。

本文研究面向道路行駛安全的重卡車載儲(chǔ)氫瓶支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，分析結(jié)果為車載儲(chǔ)氫裝備的振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)與應(yīng)力強(qiáng)度優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志蕓，張國(guó)強(qiáng)，劉艷秋，等.車載儲(chǔ)氫技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2018，37（11）：1207-1212.

[2]方王剛，黃靜，任興海，等.小型氫儲(chǔ)能金屬氫化物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].專用汽車，2024（8）：74-76

[3]王亮.基于微觀力學(xué)分析的復(fù)合材料儲(chǔ)氫容器強(qiáng)度與壽命研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[4]徐童非，鄭甲紅，唐永科，等.LNG車載氣瓶支架強(qiáng)度分析及優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（21）：62-63+66.

[5]孫晨浩，吳勝軍，梁治千，等.LNG車載氣瓶支架的輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車零部件，2023（6）：7-12.

[6]高慶.車載輕量化鋁合金LNG框架有限元分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù).2019（4）：37-41.

[7]劉夢(mèng)潔.儲(chǔ)氫管束式集裝箱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與安全性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2023.

[8]GB/T7031—2005機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告［S].

[9]GB/T4732.4—2024壓力容器分析設(shè)計(jì)，第四部分：應(yīng)力分類法[S].