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某商用车CNG气罐安装横梁强度分析及优化设计

2022/7/25    来源:Altair    作者:张峰  张松波  鲁立志  方多      
关键字:CNG  有限元法  横梁强度  优化设计  
针对某款CNG型商用车在路试过程中出现的地板横梁开裂现象,本文建立了其白车身有限元网格模型,对其在制动和扭转工况下进行了强度分析,发现在制动工况下横梁的变形及应力分布更加恶劣一些,且地板横梁最大应力处即为路试开裂处,于是采用以制动工况为主的强度分析来对其进行优化设计。
1 前言

       伴随着国家汽车工业的高速发展,能源的巨大消耗和尾气排放导致的空气污染问题越来越严重,而以压缩天然气为燃料的清洁能源汽车,能够极大地缓解能源紧缺和空气污染这两大问题。近年来,天然气汽车在全球发展很快,取得了显著进步。

       本文针对新研制的一款CNG商用车在路试过程中出现的地板横梁开裂的现象,利用CAE前处理软件HyperMesh建立了该车型的有限元模型,并按照扭转和制动工况对其进行求解,结果显示在制动工况下横梁的变形及应力分布更加恶劣一些,所以,在接下来的优化设计过程中,考虑制动工况下的横梁变形及应力分布情况。根据分析结果,本文提出了优化方案,优化结果与原始方案结果对比发现,优化后的结果相较于之前有较大提升。并在路试试验中通过验证,解决了横梁开裂的问题。

2 有限元模型和分析工况的确定

       2.1 CNG车型有限元模型的建立

       车身结构非常复杂,存在着很多小的局部结构特征,如沟槽,安装孔,避让台阶等。如果直接进行有限元建模,不仅增加建模难度,也使得单元尺寸变小,单元数量增加,模型规模变大。同时考虑到有些特征对整车承载性能作用不大,通常在有限元建模之前都要对结构进行简化。结构的简化过程其实就是在模型的复杂度和精确度间寻求一个平衡,即在保证能够真实反映原结构力学性能的原则下,忽略次要特征,保留主要结构和力学特性。

       为了计算的方便,常采用梁单元模拟焊点,大量的研究表明,采用梁单元模拟焊点能够保证计算结果的精度要求。目前,用于模拟焊点的梁单元有:刚性梁单元RBE2,剪弹性梁单元CWELD,区域接触单元ACM2。研究表明ACM2焊点单元比CWELD焊点单元的计算精度更高,计算精度上更具有稳定性,且易用性更好,效率较高。综合考虑计算精度和效率,在本模型中采用ACM2单元模拟焊点。

       除了焊接连接之外,车身上还有一些部件如前风窗玻璃,顶盖,车门,发动机盖等采用黏胶连接。粘胶连接能够紧固防锈、隔热减振,提高结构韧性,实现同种材料或不同种材料之间的连接。对于粘胶的模拟选用六面体CHEXA单元和RBE3单元,六面体单元与零件之间通过RBE3单元连接。

       车身上采用螺栓连接的部件较少,主要用于前后保险杠与车身的连接。对于螺栓连接的模拟采用rbe2单元,这是因为螺栓和螺栓孔紧密相连,螺栓孔周围的单元和螺栓的运动要保持一致。模拟螺栓包括两个步骤,首先对两个螺栓孔建立RBE2单元,其次创建梁单元连接这两个刚性单元。在HyperMesh软件中通过对白车身各零部件划分网格,检查和调整网格质量,模拟连接关系,最终建立的白车身有限元模型如图1所示。整个车身节点数共923693个,壳单元886881个,其中QUAD4单元854953个,CTRIA3单元31928个,三角形单元占单元总数的3.6%,焊点单元共4414个。

某CNG商用车白车身有限元模型

图1 某CNG商用车白车身有限元模型

       2.2 约束条件的建立

       根据实车在路试过程中的受力情况,此次分析中考虑了两种工况下的车身约束和载荷情况,考虑在这两种工况下的CNG气罐安装横梁的强度分析,制动和扭转工况下的约束及载荷在有限元分析中的设置情况如表1所示。
表1 制动和扭转工况下的约束和载荷情况

制动和扭转工况下的约束和载荷情况


       注:模拟气罐内充满燃气,总质量为84kg 

       2.3 分析工况的确定

       将建立的有限元网格模型按照上述两种工况的约束和载荷情况进行加载设置,并提交到求解器中进行强度分析运算,得到CNG气罐安装横梁的应力和应变分析结果,如图2和图3所示,图4所示为在路试过程中的地板横梁开裂情况。

制动工况下的应力和应变分析结果

图2 制动工况下的应力和应变分析结果

扭转工况下的应力和应变分析结果

图3 扭转工况下的应力和应变分析结果

地板横梁路试开裂情况

图4 地板横梁路试开裂情况

       由上述分析结果,可以看出:在制动工况下,地板横梁的强度分析结果中的应力最大值为281MPa,并且通过与图4的对比,地板横梁的实际断裂位置也和本次分析结果中最大应力位置一致,分析结果的最大应变值为0.0244;而在扭转工况下的应力最大值为243MPa,最大应变值为0.0181。根据制动工况以及扭转工况下的仿真分析对比,可以看出,在制动工况下横梁的变形及应力分布更加恶劣一些。因此,之后的优化加强方案是在制动工况下进行分析。 

3 CNG气罐安装横梁强度分析

       在原始方案中,在制动工况下的CNG气罐安装横梁布置方案如图5所示,其中黄色的两根横梁其材料牌号为Q235,料厚为8.0mm。进行强度分析后的地板Z向位移和地板应变分布分别如图6和图7所示。

CNG气罐安装横梁原始布置方案

图5 CNG气罐安装横梁原始布置方案

制动工况下的地板Z向位移图

图6 制动工况下的地板Z向位移图

制动工况下的地板应变分布图

图7 制动工况下的地板应变分布图

       由地板Z向位移云图可以看出,在制动工况下,原始方案地板负向最大位移为16mm,正向最大位移为5.3mm,最大应变为0.018。

       CNG气罐地板横梁的应力与应变分布结果如图8所示。焊缝处的应力分布结果如图9所示。

横梁应力和应变分布图

图8 横梁应力和应变分布图

焊缝应力分布

图9 焊缝应力分布

       由应力分布情况可以看出,原始方案中,最大应力为277Mpa,最大应变为0.012,且多处存在应力集中,边角处的应力分布较恶劣。焊缝最大应力为237Mpa。在该车型中,地板横梁的使用材料为DC01,其抗拉强度为270MPa,而本次强度分析的结果已经超出了其抗拉强度,故将要对其进行强度优化设计。

4 CNG气罐安装横梁强度优化设计

       根据前面对原始方案中的强度分析结果分析可知,在制动工况下,CNG车型的地板横梁应力过大导致其路试开裂,对此本文提出了如下的优化设计方案,如图10所示。

优化设计方案

图10 优化设计方案

       将优化设计后的有限元模型提交运算,得到其强度分析结果,包括焊缝应力分布、地板Z向位移和地板横梁应力分布,如图11所示,原始方案与优化方案结果对比如表2所示。

优化设计强度分析结果图

图11 优化设计强度分析结果图
表2 原始方案与优化方案结果对比

原始方案与优化方案结果对比


       由上述分析结果可知,采用优化方案后,焊缝最大应力为223Mpa,焊缝应力为0.52倍,相对初始方案分别下降5.9%和18.9%。地板Z向最大负向位移为2.8mm,最大正向位移为2.1mm,相比原始方案分别降低47.2%和86.9%。横梁接头处应力224MPa,与气罐支架地板连接件处应力208MPa,相对原路试方案277MPa大有改善,而该地板横梁的材料DC01的抗拉强度为270MPa,优化结果已经远远小于其抗拉强度,将该方案实施在实车之后,再次进行路试试验之后,并未发现之前的地板横梁开裂现象,验证了该优化方案的正确性。

5 结论

       针对某款CNG型商用车在路试过程中出现的地板横梁开裂现象,本文建立了其白车身有限元网格模型,对其在制动和扭转工况下进行了强度分析,发现在制动工况下横梁的变形及应力分布更加恶劣一些,且地板横梁最大应力处即为路试开裂处,于是采用以制动工况为主的强度分析来对其进行优化设计。通过将原始方案的分析结果与优化设计后的分析结果作对比,我们发现优化设计后的分析结果相较于原始方案,在焊缝最大应力、地板Z向最大位移以及地板横梁最大应力等方面都有了极大改善,且采用优化方案后路试车也未出现开裂现象,验证该优化方案的正确性。
责任编辑:程玥
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