车载双联液化气气瓶框架优化设计

第36卷第6期Vol.

36

,

No.

6滨州学院学报JournalofBinzhou

Univer5ity2020年12月Dec.

,2020【工程与技术研究】车载双联液化气气瓶框架优化设计韩忠冠】，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）摘

要：对车载双联液化气气瓶框架结构进行轻量化设计。依据模态分析理论，构建有限元

分析模型，对笼式焊接框架和轻量化设计框架进行模态分析比较，轻量化框架模态频率分布优于

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.

0100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・63・

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。模态分析的目的是找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)}

+

[C]{u}

+

[K]{u}=0，

6

(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Ai=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

・64・

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,

阶模态

对

，焊接框架只

阶模态，

一，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气瓶满载、半载、空载三种状过程中的变化，

态。对

气

架三种状态的前三阶模态进行分析，三接框架进行

种状态的第一阶模态

察二、三阶模态

，同时考的图3冲压轻量化框架分析模型是

合设计要求。将NX10.

0

转换,构建图3所示

结构

进行

，进行

：模态分析。二者框架总成材料均选用SPH440,对应弹性模量212

GPa、材料密度7800

kg/m3、泊松比0.

288

,得出焊接框架第一阶满载模态频率12.

8

Hz,低于非簧载

质量固有频率（6〜15

Hz）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.

3

Hz,此阶模态频率最为关键,一般要求大于15

Hz,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.

9

Hz,高于非簧载质量固有频率

（6〜15

Hz）,优于焊接框架一阶模态频率12.8

Hz。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状态一阶

架一阶

16.

320. 429.

9/Hz/Hz阶

/Hz三阶频率/Hz32

5满载12.

817.422.

234.

6半载——40

657.

9载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

1200

kg（满载液化气），气瓶框架及连接板材料为SPH440,即抗拉强度为440

MPa,屈服为305

MPa,如

表2及图4〜6所示。表2

工况强度对比工况速度5g最大

/MPa许

/MPa305305305直冲击206.

7210.

2167.

2制动转弯3g1g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・65・

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（305

MPa），由表2对比可以看出，框架强度性能满足设计要求%Contour

PlotStress(vonMisesJVIax)AnalysisSimple

Averag^M|-2.067E-K]^^H

Contour

PlotStress(vonMises,

Analysis

system

Simple

Average j

E7.073E-KJ1

|

6.288E-KJ1|-1.837E^2^B

■-1.608E-KJ21-1.378E-K)21-1.148E-H32

Lg

-I87E4Q!一5.502E-KJ14.716E-KI1-3.930E-KI1-3.144EO1-2.358E-KJ11-6.890E4O1l-4.593E4{]1^H|

■-2.297E-K]1^^H

1.572EO1■7.859E-KJ0—6.332E-12—1.318E-11

WVMax =

2.067E-KJ2Node

842165

jMin

=

1.318E-11A

Node

850705Max

=

7.073E401Node

842165Min

=

6.332E-12Node

850716图4垂直冲击应力分布（5g）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

里程表进行校正！

试

重量、月

要求，测试前车辆。综合路类，其Contour

PlotStress(vonMises,

Maxi

Analysis

systemSimple

Average

--8.355E401

Ml

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

合环

、高速

合环

长6398

m,包括阴井盖凹

l-7.427E-H)1

■-6.498E+01

U加—5.570E+01

、减速带、p4.642E-H31I-3.713EO1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30

000

km以上三种类型路面测试，对测试数据

I-2.785E+01

'I-1.857E-KJ1

■-9.284E400

(I—6.627E-12 IMax

=

8.355E-K)1^H

Node

795973Min

=

6.627E-12Node

694662

■

I'J

result

收集整理，产品外观查验，验证轻量化气瓶框架综合路

,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aligner

2-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前轴测量结果定位参数车轮外倾角设计值

1°

士

20-左+117’右+

0°59‘主销后倾角3°

士

303°

士

20+

3°7‘+3°10‘+3°12‘销倾角前束+

3°8‘0

mm—1

〜+1

mm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6328

km时出现一次螺栓

松动故障，后期排查为人为装配原因。至30

008

km止，未出现其他故障。对外观及关键位置检查，未发

・66・

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-

故障类别1类故障统计结果1(螺栓松动)故障次数及里程次数/次首次故障里程/km63282类故障次数/次首次故障里程/km——————300083类故障次数/次首次故障里程/km4类故障次数/次首次故障里程/km试验截止里程/km4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135

kg,较笼式

焊接框架(356

kg)减轻221

kg,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16.3

Hz,大于非簧载质量固有模态频率(6〜15

Hz),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30

000

km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％参

考

文

献：杜君臣，张爱敏，夏文正，等.动植物油脂加氢制备生物燃油催化剂研究进展'(.功能材料，2014,45

(9)：9008

—

9012.沈增意.用液化气代替汽油汽车技术，1982(4):64.李军，曹晖，吴明清.作为车用燃料的液化气使用性能的研究石油炼制与化工，2003,34(3)：43

-

46.[4(

李红明.液化气汽车装车系统的计量改造中国计量，2008(5):86

-

87.陈昊，韩斌，陈轶嵩，等.天然气汽车发展现状及趋势中国能源，2018,40(2):36

-

41.'(

钟易谋.宜宾LNG汽车应用推广研究[D(.成都：西华大学，201&'(刘相庭，贺小刚，李宏雷，等.车用LNG气瓶安装监督检验常见问题浅析'(.内燃机与配件，2020

(1):139-141.'(

张欣，潘婷婷，杨良武.一种商用车用液化气瓶无底梁框架：中国，CN209904528U[P(.

2020

-

01

-

07'(刘潇.轮对模态对轮轨系统性能的影响研究[D(.北京：北京交通大学，2017.

[10(肖健.纯电动公交车车身结构轻量化研究[D(.唐山：华北理工大学，2016.[11(

何海涛，陈振雷，廖俊雄，等.基于整体车架模态分析的悬置支架优化设计研究'(.机电工程，2019,-67

-

滨州学院学报36(2):185

-

189.第36卷[12(

林家炜，张并瑞，石磊.防护门结构模态分析山西建筑，2011,37(29):28

-

29.[13(

李睿，黄发彬.光电跟踪转台有限元模态分析西安工业大学学报，2014(10):780

-

783.

DOI：

10.

3969/j.

issn.

1673

-

9965.

2014.

10.

002.[14(

任建峰，金珂.键合金丝的振动疲劳损伤研究'(.电子机械工程，2012,28(5):22

-

25.

DOI：10.

3969/j.

issn.

1008

-

5300.

2012.

05.

006.[15(

陈勇武.基于ANSYS

Workbench的喷涂机器人的模态分析'(.现代机械，2011(2):44

-

46.

[16(

杨朋军，王佳民，靳长权.基于UG/CAE环境下的惯性平台台体有限元分析[J(.

CAD/CAM与制

造业信息化，2003(11):50

-

52.

DOI：10.

3969/j.

issn.

1671

-

8186.

2003.

11.

zed

Design

of

Vehicle-mounted

Double

LPG

Cylinder

Fixed

FrameHAN

Zhong-guan1

,YE

Yan2

,

ZHANG

Xin2

,PAN

Ting-ting2(1.

College

of

Aeronautics

and

materials，Anhui

Technical

College

of

Mechanical

and

Electrical

Engineering

;2.

Wuhu

Qinhui

Technology

Co.

.Ltd

Wuhu

241000

?China

)Abstract：The

light

weight

design

is

conducted

to

the

frame

structure

of

vehicle-mounted

double

LPG

cylinder.

According

to

the

theory

of

modal

analysis

?

the

finite

element

analysis

model

is

construc­ted,

and

the

modal

analysis

of

welded

frame

and

lightweight design

frame

is

compared

.

The

lightweight

frame

is

better

than

the

welded

frame.

According

to

the

three

typical

strength

impact

conditions

of

verti­cal

impact

?

emergency

braking

and

turning,

the

strength

of

the

frame

is

less

than

the

allowable

strength

of

the

material

?

which

meets

the

safe

requirements.

No

damage

or

appearance

defect

is

found

in

the

30

000

km

comprehensive

pavement

test.

On

the

basis

of

ensuring

the

structural

safety

and

design

per­formance

index,mass

production

can

be

realized

bu

the

lightweight

cylinder

words:

lightweight

； gas

cylinder

holder

；

modal

analysis(责任编辑：贾晶晶)・68・