2020年12月Dec. ,2020
第36卷第6期
Vol. 36 , No. 6
滨州学院学报
JournalofBinzhou Univer5ity
【工程与技术研究】
韩忠冠】，叶 燕2，张 欣2，潘婷婷2
（1.安徽机电职业技术学院航空与材料学院+
2.芜湖勤惠科技有限公司，安徽芜湖241000）
笼式焊接框架。按垂向冲击、紧急制动冲击和转弯冲击三种典型强度冲击工况对框架进行强度 分析，工况强度均小于材料许应强度，符合强度安全设计要求。装车30 000 km 综合路面测试,
产&没有发现损坏或外观缺陷。轻量化气瓶框架在保障结构安全及设计性能指标的基袖上，可
实现批量化生产。
关键词：轻量化；气瓶框架；模态分析中图分类号：TQ 320. 66
文献标识码：A DOI ： 10.13486/j. enki. 1673 - 2618. 2020. 06. 010
0引言
随着工业的发展，能源消耗急剧增加，石油资源日益紧缺液化气（LNG ）作为燃油的补充燃料现已
广泛应用。液化天然气是将天然气净化处理后获得的一种优质清洁燃料，目前被公认为世界上最环保的
天然能源之一。液化天然气由于其运输、存储效率高，燃烧洁净度高，价格低廉等优点，逐步被用于汽车燃
料％近年来，各国都加大天然液化气汽车的研究，并得到一定的发展25）。车载液化气存储装置的安全稳 定是汽车行驶中的关键安全因素，研究人员在气瓶框架的结构安全和稳定性能上进行了诸多研究67）。目
前多数企业气瓶固定框架都采用笼式焊接结构，由于这种结构框架在整体上比较笨重，体积庞大，焊接应 力和焊接裂纹会使气瓶框架出现疲劳损坏，给车辆的使用带来极大的安全隐患，已被逐渐舍弃。本框架采
用无底梁轻量化设计，结构紧凑简单，整体采用冲压和钏接制造工艺，总成零件可实现标准化，此法减少了 模具成本的投入，可实现批量化生产；无底梁框架在保障结构安全及设计性能指标的基础上，减少了整车
的重量，使生产成本降低20%〜30%，有很大的市场前景％
1整体结构设计
车用无底梁液化气气瓶框架如图1所示，图中1为拉带、2为拉带螺栓、3为拉带固定座、4为包角、5
为面板、6为鞍座连接座、7为下鞍座、8为加液面板、9为中鞍座、10为鞍座连接座、11为上鞍座、12为连
收稿日期=2020 - 10 -24
基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2018A0864）；安徽省创新发展行动计划（XM-6）第一作者简介：韩忠冠（1984—），男，安徽颍上人，高级技师、实验师，主要从事是机械设计及制造研究%
E-mail : ahj dhzg @126. com
滨州学院学报第36卷
接板。采用轻量化设计理念，零件采用冲压工艺，与图2所示传统笼式焊接结构相比，在主体结构只保留鞍座组合，主要零件材料为钢板和铝板，零件之间采用非焊接的机械式连接。车用液化气气瓶无底梁框架，这一技术改进主要应用于商用车领域，整体结构可分为上下两层结构，每层各有两个鞍座和两个连接在鞍座上的可拆卸总成组成，上下两组分别由连接板连接座采用螺栓紧固并配自锁螺母。增设面板结构，一是可以通过面板将框架总成固定；二是在结构上起到支撑作用，增加框架的刚性和强度。采用钏接方式，从根本上消除了因焊接所产生的应力变形，使拆装变得更加容易和便捷，同时解决了车辆行驶过程中发生液化气存储装置径向转动和轴向移动等问题「8)%
图1双联框架总成装配图图2笼式焊接框架
2分析及试验
在现代工程设计中，辅助软件的应用极大地提高了工作效率()，工程技术人员通过辅助软件构建分析模型，模拟实际工况，对设计结果进行有限元分析，将分析结果和预期设计进行对比，验证设计方案的可行性％
2.1模态分析理论
每个结构或物体都有属于自身的振动特征，这一特征称之为模态「10)，各模态特性都有自己的模态振型、振动频率及阻尼比(门。模态分析的目的是出结构物的模态特性、各阶振动频率，避免与其他机构之间产生共振现象(2)。模态分析能给设计提供重要的理论依据，验证并对设计结果进行优化。多自由度结构有N阶固有频率振动特性「⑷，结构多点位之间存在一定的比例位移关系。模态分析的关键就是确定结构动态模态特性。轻量化框架模态分析的关键是转换模态坐标构建微分方程(5)，求解出框架的模态参数。依据模态振动理论，构建微分方程为
[M)6}+[C]{u}+[K]{u}=0，(1)式中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{u}为位移向量。当作用力向量等于0时，忽略阻尼比的影响，则方程(1)变为
LM}+[K]{u}=0，(2)系统特程
[K—aiM){7}=0。(3)求解特征方程即可获得系统模态参数，包括模态频率A i=a2和模态振型％
2.2模态分析
车辆在实际行驶工况中，高阶振型对结构的动态振动特性几乎没有影响(6)，共振耦合主要集中发生在低阶模态，设计和分析时要特别注意第一阶模态的固有频率。气瓶框架总成安装在车架上，对车辆而言
第6期韩忠冠，叶燕，张欣，等车载双联液化气气瓶框架优化设计
属于非簧载质量，受到冲击振动、动力总成振动、悬架振动及摆动、旋转件振动、气瓶位移等多种激励源的干扰，因此需要对气瓶框架总程进行模态分析，考察气瓶框架总程的固有频率分布情况，模拟实际工作工况下各激励源是否会与框架产生共振现象。
对轻量化气瓶框架和焊接结构框架分别进行CAE模态
分析，对 ，焊接框架只阶模态，一
阶模态，方便与气架进行对比。气瓶
框架总成进行前三阶模态，考虑到气瓶中燃料质量在使
过程中的变化，气瓶满载、半载、空载三种状
态。对 气架三种状态的前三阶模态进行分析，三
种状态的第一阶模态接框架进行，同时考
察二、三阶模态是合设计要求。将NX10.0的
结构进行转换，构建图3所示，进行：模
图3冲压轻量化框架分析模型
态分析。二者框架总成材料均选用SPH440，对应弹性模量
212GPa、材料密度7800kg/m3、泊松比0.288，得出焊接框架第一阶满载模态频率12.8Hz，低于非簧载质量固有频率（6〜15Hz）最大值，验证之前设计结论，结构合理性较差。轻量化框架满载状态第一阶模态频率为16.3Hz，此阶模态频率最为关键，一般要求大于15Hz，符合理论设计要求。详细分析结果如表1所示。
分析结论："）对照表1轻量化框架一阶模态频率为16.3〜29.9Hz，高于非簧载质量固有频率（6〜15Hz），优于焊接框架一阶模态频率12.8Hz。符合设计要求。（2）轻量化框架第1阶、第2阶频率相近，结构设计合理。
表1模态频率分布表
接架架
状态
一阶/Hz一阶/Hz阶/Hz三阶频率/Hz
满载12.816.317.4325
半载—20.422.2406
载—29.934.657.9
2.3模拟工况强度分析
车辆在行驶时，会受到各种环境工况对车辆产生的冲击，考虑到其使用路况，存在垂向冲击、紧急制动冲击、急转弯冲击三种典型的强度冲击。通过对气瓶框架总程进行上述三种工况的强度分析，考察气瓶框架是否出现应力过高现象，以此判断框架结构强度是否满足性能要求。气瓶带框架满载总程质量约1200kg（满载液化气），气瓶框架及连接板材料为SPH440，即抗拉强度为440MPa，屈服为305MPa，如表2及图4〜6所示。
表2工况强度对比
工况速度最大/MPa许/MPa
直冲击5g206.7305
制动3g210.2305
转弯1g167.2305
分析结论：冲压气瓶框架总程在垂向冲击工况（垂向5g冲击）、紧急制动工况（行驶方向3g）及紧急转
滨州学院学报第36卷
弯工况（侧向1g）三种工况下产生的最大应力值都小于SPH440材料的屈服极限（305MPa），由表2对比可以看出，框架强度性能满足设计要求%
Contour Plot
Stress(vonMisesJVIax)
Analysis
Simple Averag^M
|-2.067E-K]^^H
|-1.837E^2^B
■-1.608E-KJ2
1-1.378E-K)2
1-1.148E-H32
Lg-I87E4Q!
1-6.890E4O1
l-4.593E4{]1^H|
■-2.297E-K]1^^H
—1.318E-11WV
Max=2.067E-KJ2
Node842165j
Min=1.318E-11A
Node850705
图4垂直冲击应力分布（5g）Max=7.073E401
Node842165
Min=6.332E-12
Node850716
Contour Plot
Stress(vonMises,
Analysis system
Simple Average j
E7.073E-KJ1|
6.288E-KJ1
5.502E-KJ1
一4.716E-KI1
-3.930E-KI1
-3.144EO1
-2.358E-KJ1
1.572EO1
■7.859E-KJ0
—6.332E-12
图5紧急制动应力分布（3g）
3产品综合路面测试
轻量化框架装车后进行整车测试实验，实验目的主要考验轻量化气瓶框架总成在满载、半载和空载情况下的能力％依试要求，测试前车辆
里程表进行校正！重量、月。综合路面测试选在安徽定远汽车综合试验场进行。测试路况总体分为：环山、高速合环类，其
合环长6398m，包括阴井盖凹、减速带、铁轨道口、坑洼水坑、路桥接缝、石子路、小半径扭曲路、搓衣板路等，其他里程路段为高速路面和环山路面％通过工况30000km以上三种类型路面测试，对测试数据收集整理，产品外观查验，验证轻量化气瓶框架综合路Contour Plot
Stress(vonMises,Maxi Analysis system Simple Average
--8.355E401Ml l-7.427E-H)1加
■-6.498E+01U —5.570E+01
p4.642E-H31
I-3.713EO1
I-2.785E+01' I-1.857E-KJ1
■-9.284E400(I —6.627E-12I
■I'J result
Max=8.355E-K)1^H Node795973
Min=6.627E-12
Node694662,
况下的安全可靠性％
检测仪器如下：数据采集系统型号为#BOX3i，图6动应力分布（1g）
GPS型号为传感器RLVBACS001，轮胎气压表型号为TJG H3507，四轮定位仪型号为aligner2-PC，地磅型号为T7-16。
对四轮定位检测和故障统计结果如表3、表4所示。
表3四轮定位监测结果
定位参数设计值-
前轴测量结果
左右
车轮外倾角1°士20+117’+0°59‘
主销后倾角3°士30+3°7‘+3°12‘
销倾角3°士20+3°10‘+3°8‘
前束—1〜+1mm0mm
试验结果：四轮定位监测数据结果均在整车设计范围内，表明安装改进后气瓶框架未造成整车结构不合理现象，车辆着地性和操控性符合设计要求，不会出现跑偏情况。车辆路测6328km时出现一次螺栓松动故障，后期排查为人为装配原因。至30008km止，未出现其他故障。对外观及关键位置检查，未发
第6期韩忠冠，叶燕，张欣，等车载双联液化气气瓶框架优化设计
现不良结果%
表4试验故障分类及故障数量统计结果
统计项目
-统计结果
故障类别故障次数及里程
1类故障
次数/次1(螺栓松动)首次故障里程/km6328
2类故障
次数/次—首次故障里程/km—
3类故障
次数/次—首次故障里程/km—
4类故障
次数/次—
首次故障里程/km—试验截止里程/km30008
4小结
(1)双联轻量化气瓶框架将笼式焊接结构改成板材冲压钏接结构，轻量化气瓶框架重135kg，较笼式焊接框架(356kg)减轻221kg，满足使用要求，减轻框架整体重量%
(2)分别对笼式焊接框架和轻量化框架进行模态分析，轻量化框架优于笼式焊接框架，轻量化框架一阶模态频率16.3Hz，大于非簧载质量固有模态频率(6〜15Hz)，满足设计要求%
(3)轻量化框架其他状态各阶模态频率分布合理，和车辆常态工作频率没有明显耦合现象％
(4)对常见三种典型冲击工况下强度分析和30000km综合路面测试，轻量化框架强度满足安全使用的性能要求，此设计方案完全符合预期设计要求％
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