佚 名
【摘 要】The automotive air reservoir,which is an important part of automobile parts,plays an important role in storing the compressed air and braking. The air reservoir is designed by considering the pressure,material selection and shape in detail in the paper. The optimal wall thickness of the air reservoir is obtained by optimization design by means of ANSYS software. The analytical results show that the cylindrical aluminum alloy air reservoir with optical wall thickness can reach the design requirements of light-weight automobile.% 作为汽车零部件的重要组成部分，储气筒起着储存压缩空气以及刹车制动的作用。从工作压力、材料选择和外形设计等方面对储气筒进行分析，利用ANSYS有限元软件对储气筒壁厚进行优化设计。在此基础上，指出采用最佳壁厚的圆筒形铝合金储气筒能达到汽车轻量化的设计要求。
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2013(000)006
【总页数】3页(P134-136)
【关键词】汽车储气筒;优化设计;壁厚;铝合金
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.55
随着科学技术的发展，压力容器的应用领域越来越广[1-2]。汽车用储气筒是一种典型的小型压力容器，主要由中间部分的筒体和两端的封头组成。作为汽车零部件的重要组成部分，储气筒主要起储存压缩空气及刹车制动的作用，其性能的好坏直接影响行车安全和车底空间布局等。因此，本着节约材料、在安全前提下减薄壁厚进而减轻汽车总重的原则，研究储气筒的工作压力、所用材料以及外形结构具有十分重要的意义。
1 储气筒壁厚的理论设计
储气筒壁厚的设计参数：设计温度为25℃；工作压力分别为0.8 MPa、1.2 MPa 和1.5 MPa；材质分别为铝合金、低合金钢和碳素钢。在以上参数下，设计并计算其最小壁厚，以满足安全要求。
1.1 压力容器壁厚的计算和校核公式
压力容器的壁厚计算公式为：
考虑介质等因素后，压力容器的设计壁厚公式为：
最大允许工作压力[ ]pw 公式为
其中：pc 为计算压力，MPa；Di 为储气筒内径，Di=D0-2δn ，mm；D0 为储气筒外 径，mm；δe 为有效厚度，δe=δn-C ，mm；δn 为名义壁厚，mm；C 为厚度附加量，mm；[ ]σt 为设计温度下储气筒材料的许用应力，MPa；ϕ 为焊接接头系数。
1.2 铝合金储气筒壁厚的计算公式
当材质为2018 铝合金储气筒在1.2 MPa 工作压力时，假设储气筒的名义壁厚δn=2 mm，外径D0=348 mm，则内径Di=D0-2δn=344 mm。计算压力pc=1.1×1.2=1.32 MPa。
计算厚度为
由于铝合金的表面易自然形成一层致密牢固的Al2O3保护膜，能很好地保护筒体不受腐蚀，使用寿命长[3]；而且汽车用储气筒一直处在空气中，腐蚀性较小，取腐蚀裕量C2=0 mm 。因此设计厚度δd=δ ＋C2=1.63 ＋0=1.63 mm 。查相关手册得出厚度负差C1=0.08，因为该值不超过名义壁厚的6%，所以其厚度负差忽略不计。圆整后名义壁厚δn=2 mm，有效壁厚δe=δn-C=2 mm。
强度校核为:
最大允许工作压力为：
针对其它两组工作压力或材质的储气筒壁厚的计算方法与上相同。
2 储气筒外形的设计比较
针对2018 铝合金储气筒；在1.2 MPa 的工作压力和25℃的设计温度下，比较圆筒形储气筒和长方体储气筒对使用要求的影响。
2.1 圆筒形储气筒
采用标准椭圆形封头[4]的具体设计参数为：D0=2r0 =348 mm，δn =2 mm，Di=2ri =344 mm，封头曲面深度hi=100 mm，筒体长度L=700 mm。则圆筒形储气筒的体积为：
2.2 长方体储气筒
长方体储气筒的设计参数为：长a=L ＋2hi=900 mm ；宽b 和高c 相等，考虑到储气筒在汽车中所在空间的一致性，使，得出b=c=308 mm ；泊 松 比 μ=0.3 ；弹 性 模 量E=74 000 MPa ；pc=1.1×1.2=1.32 MPa ；[ ]σ =140.17 MPa。
360汽车根据计算厚度公式δ=max{ }δx，δy ，其中：
查相关手册，得出系数β =0.042 7，β1 =0.017 2。
长方体储气筒的体积为：
可见，针对同种材质，在汽车中所占空间一致的情况下，长方体储气筒的重量大于圆筒形储气筒的重量。圆筒形储气筒受力均匀，耐压能力好，能充分发挥材料的承载力；长方体储气筒承载能力差，厚度方向弯曲应力成线性分布，且其顶角和棱角处易出现应力集中。
长方体容器的壁厚设计的相当厚才能提高承压能力，圆筒形容器各部承压合理壁厚可以设计的薄一些。因此从节约材料、减轻重量、受力状态等方面综合考虑，采用圆筒形储气筒较好。
3 圆筒形储气筒壁厚的优化设计
储气筒的初始设计参数为，D0=348 mm，总长900 mm，工作压力为1.2 MPa。
设计要求是，在满足给定的强度条件下，使整个储气筒的重量达到最小。选定储气筒的壁厚d 为设计变量，等效应力σ 为约束条件。由于筒体外径和总长一定，可用储气筒的横截面积代替其重量大小[4-6]。以储气筒筒体的截面积S 为目标函数，其表达式为
其中：100A为椭圆形封头的长半轴长，100B为椭圆形封头的短半轴长，L0为储气筒总长。
由于整个储气筒是轴对称结构，故在ANSYS 软件中可以建立其1/4 模型，如图1 所示。得到1.2 MPa 下铝合金储气筒的等效应力分布如图2 所示。在此基础上分别计算出在二种压力（0.8 MPa、1.5 MPa）下，三种材质（铝合金、不锈钢和碳素钢）的储气筒的最优壁厚，
如表1所示。
图1 储气筒的1/4有限元模型
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