超大容积车载LNG气瓶振动特性分析

杨树斌，马志鹏，夏 莉，李 蔚，李 伟，许海洋，刘培启

(1．广东省特种设备检测研究院，广东佛山 528251;2．大连理工大学化工机械与安全学院，辽宁大连 116024)

液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)是一种热值高、价格低的清洁能源。随着燃油成本、人力成本的不断攀升以及航空运输业的激烈竞争，传统交通运输业受到了巨大的冲击。在传统运输业不断寻求降低运营成本的机遇下，以LNG为燃料的液化天然气汽车以其燃料价格低廉、清洁环保、续航里程长等方面的优势，而受到世界各国汽车行业的普遍关注，成为企业继续保持竞争活力的关键优势之一。车载LNG气瓶作为LNGV车载燃料系统的关键部分，也受到广泛关注，一些研究机构、企业、高校加大了研发的力度［1－3］。

Sang－Kook Yun等［4］基于有限元理论方法对车载低温绝热气瓶进行热应力分析，Sang－Kook Yun等人通过在有限元软件中设置接触来模拟气瓶的一端固定一端滑移的固定方式。李阳等［5］对车载LNG气瓶受惯性载荷的作用下进行应力分析，并且在其应力集中区域进行了应力分类和评定。徐童非等［6］采用ANSYS软件对车载LNG气瓶在三种不同工况下进行支架结构应力分析，实现气瓶支架的轻量化，优化后可减少大量经济成本，提高效益。李万晖［7］对车载LNG气瓶结构尺寸的计算方法进行了详细论述，并对车载LNG气瓶结构、选材、绝热性能和车辆处于不同工况下气瓶内筒的应力应变规律进行研究。

上述研究推动了低温绝热气瓶的发展，为气瓶结构设计提供了手段。总结相关进展可以看出，车载低温绝热气瓶的研究逐渐从静态过渡到了动态分析。一方面由于静力学分析已经较为成熟，另一方面，低温绝热气瓶振动破坏是其实际运行中主要的破坏形式。产品检验过程中，实施振动试验的目的就是模拟检验气瓶在汽车运行条件下的振动响应情况，除了验证支撑结构和管路系统的耐久性，还要验证在路面激振频率范围内，结构是否发生共振。试验数据显示，低温绝热气瓶振动试验环节通过率较低［8］，是影响产品开发的重要环节。因此研究车载气瓶的动力学响应，了解其共振频率和振型特征，对于进一步优化车载气瓶结构，避免因共振引起的破坏具有重要意义。目前关于气瓶这方面的研究较少且都是针对小容积气瓶，主要包括:韩国学者［9］采用有限元分析软件MSC/MARC分别对某公司生产的车载LNG气瓶进行了传热分析和热应力分析，同时还对气瓶的共振频率进行了模拟计算，算出共振频率远超50 Hz。杜明广［10］着重研究了车载LNG气瓶在设计压力下的静力学分析、热分析和失效分析，选择不同于传统设计方法的应力线性化校核方法，对结果进行了相应分析，并对气瓶装配模型进行了模态分析，初步判断了其振动特性。刘德玉［11］对车载LNG气瓶进行了静力学分析，并考虑储液量的不同，对内径500 mm的车载LNG气瓶进行了模态分析，在模态分析的基础上进行车载LNG气瓶的谐响应分析，得到了气瓶的内胆在发动机激励下的频率响应曲线，对照模态分析结果，确定了车载LNG气瓶的共振频率。

随着大型重卡汽车对燃料储存设备容积要求的不断加大，国内部分厂家正在研制超出标准允许容积范围的产品，然而超大容积气瓶抗振情况如何、传统的支撑结构是否能够满足要求等却鲜有报道。本文针对公称容积超过国标范围的1350 L圆柱型气瓶，利用有限元软件对其进行动态分析，从而获得其振动特性数据，相关结果可对超标准的大容积LNG气瓶的结构设计提供参考。

1 车载LNG气瓶的简介

车载LNG气瓶主要由内胆、外壳、进出液系统、前支撑颈管组件、后支撑轴、后支撑板以及内胆与外壳之间多层缠绕的绝热材料组成。内胆是承压元件，内部还接入了加注喷淋管、液位探头等。外壳起保护内部各构件作用，并支撑起整个瓶体。本文所研究的超大容积气瓶主要尺寸包括:内胆的公称直径为950 mm、筒体长度为1600 mm，外壳的公称直径为1000 mm、筒体长度为1800 mm，内封头是椭圆封头，外封头是蝶形封头，内胆的筒体和封头名义厚度为6mm，外壳的筒体和封头名义厚度为5 mm。其结构示意图(省略内部管路系统)如图1所示。

1．1 车载LNG气瓶的结构

图1 车载LNG气瓶结构示意图

1．2 车载LNG气瓶的发展趋势

传统的车载LNG气瓶一般为小容积气瓶，公称容积在600 L以内［12］。随着LNG汽车对于汽车重量以及长途运输的要求，国内的相关企业从2015年开始加大对大容积车载LNG气瓶的研究，目前市面上已经逐渐开始使用公称容积为1000 L的大容积车载气瓶。而且随着重型卡车续航能力要求的不断提高，公称容积1000 L以上的超大容积气瓶也已处于设计研发阶段。

2 车载LNG气瓶的模态分析

2．1 车载LNG气瓶的模型建立

本气瓶的设计温度为－196℃，最高工作压力均为1．59 MPa，绝热方式采用高真空多层缠绕式，内外胆采用奥氏体不锈钢06Cr19Ni10，密度为7930 kg/m3，屈服强度为205 MPa，抗拉强度为520 MPa，弹性模量为209 GPa，泊松比为0．278。根据尺寸参数和材料属性对车载LNG气瓶建立整体模型，模型对夹层保温材料以及不承载压力的管路进行简化处理后如图2所示，实体选用solid185单元，对于车载LNG气瓶的封头与封头补强板之间、车载LNG气瓶的后支撑处采用接触设置，划分网格后的有限元模型如图3所示。

图2 车载LNG气瓶模型

图3 车载LNG气瓶有限元模型

采用模态分析方法对该结构进行初步动态分析，该方法是用来确定结构固有频率以及振型的一种技术，主要分析结构本身的基本动力特性［13］。Block Lanczos法［14］是一种功能强大的方法，可以在绝大多数场合使用，经常应用于具有实体单元或壳单元的模型中，可以很好的处理刚性阵型，使用于提取中、大型模型(50000～100000个自由度)，提取超过40阶模态时Block Lanczos法很有效，在具有或没有初始截点时同样有效(允许提取高于某个给定频率的振型)。本文对气瓶钢带固定的位置施加全约束，约束区域为图2外壳筒体上的两个环面，采用Block Lanczos法进行模态计算。

2．2 车载LNG气瓶的模态分析结果及分析

表1 气瓶的前十阶固有频率

模态分析得到气瓶的前十阶固有频率如表1所示。

由于气瓶的外壳由钢带固定在支座上，所以模态分析中外壳的振动幅度很小，变形不明显。加之内胆处于简支状态，实际失效破坏都是由于内胆振动引起，因此本文提取振型时将外壳隐藏，只显示内胆振型，以便研究其振动特性。考虑到高阶振动较难引起，本文提取了车载LNG气瓶内胆的前6阶振型，对应的位移矢量图(mm)如图4所示。通过表1以及图4可得:

图4 车载LNG气瓶前6阶振型图

1)气瓶一阶固有频率为30．045 Hz，振型为径向振动，最大变形的位置在内胆筒体;气瓶二阶固有频率为58．247 Hz，振型为轴向窜动。

2)气瓶三阶固有频率为97．934 Hz，振型为X方向摆动，且前支撑与内胆封头连接处的振幅最大;气瓶四阶固有频率为97．939 Hz，振型为Z方向摆动，且前支撑与内胆封头连接处的振幅最大;气瓶五阶固有频率为169．110 Hz，振型为X方向摆动，且前支撑变形较小，后支撑与内胆封头连接处的振幅最大;气瓶六阶固有频率为169．160 Hz，振型为Z方向摆动，且后支撑与内胆封头连接处的振幅最大。

振动试验的激振频率范围是8～40 Hz，该范围是根据汽车行驶过程中实际振动情况确定的，若发现在这一频率范围内有共振的，应更改气瓶设计，重新进行振动试验。而所研究气瓶的一阶固有频率处于该范围内，另外二阶固有频率也比较接近该范围，为了进一步确认气瓶是否会因为该两阶共振导致破坏，本文对气瓶进行了谐响应分析。

3 车载LNG气瓶的谐响应分析

当系统受到的载荷随时间而正弦变化时，为确定其发生的稳态响应的分析叫做谐响应分析［15］。谐响应分析与模态分析都是对系统的动力学特性进行研究，通过模态分析所得各阶固有频率来估计所施加载荷的频率范围，一般谐响应分析得到的系统共振频率与其各阶固有频率相同，因此谐响应分析也是验证模态分析准确性的一种方法。本文所分析的车载低温绝热气瓶在使用中会受到发动机和路面不平度等激励的影响，可能产生多个不同频率范围的简谐振动激励，据此对气瓶进行以下谐响应分析。

根据2．2的模态分析可以看出气瓶的固有频率在30 Hz到212 Hz之间，因此通过对气瓶内表面施加频率为0．1～250 Hz的简谐载荷。采用ANSYS中提供的模态叠加法来进行气瓶的谐响应分析，选择气瓶内胆筒体中间部分的一个节点(图1中节点N)作为响应观测点，得到的位移响应曲线如图5所示。

图5 气瓶中间节点N的位移响应

图5 的纵坐标为气瓶位移响应的绝对值，再对照模态分析的结果可以得到:

(1)气瓶分别在频率为58 Hz、97 Hz、170 Hz附近位移响应出现激增现象，这分别对应模态分析得到的二阶、三阶(四阶)、五阶(六阶)固有频率，说明模态分析中得到气瓶的固有频率和谐响应分析得到的共振频率是一致的。

(2)气瓶的轴向位移响应远大于其他两个方向，如图5(b)所示在二阶固有频率附近发生共振现象导致y方向(轴向)的位移变形超过13mm，这与2．2模态分析中气瓶的二阶振型(轴向窜动)相对应，同样地，其他高阶固有频率附近的共振也与各自模态振型相对应，这里不再累述。

(3)由模态分析可知，气瓶的一阶固有频率在30 Hz附近，但是根据图5可以看出，气瓶在一阶固有频率附近未发生较大的共振现象，因此虽然气瓶的一阶固有频率比较低，容易发生振动，但是实际并不会因发生共振而导致位移变形过大。

(4)气瓶在二阶固有频率附近发生共振时位移响应达到最大，而高阶固有频率附近发生的共振明显减小，这是由于振动的节点数量随着振动阶次的升高而增加，且激发高阶振动的能量逐渐衰减，所以振动不再容易发生，位移响应也随之减小。同时气瓶二阶振型为内胆沿轴向固定端产生明显窜动，有可能造成后支撑杆和支撑板分离导致内胆脱落。因此我们在对LNG车载气瓶进行结构优化设计中，应特别注意避开出现二阶固有频率值，从而避免气瓶发生共振。

(5)气瓶三阶(四阶)、五阶(六阶)模态均表现为气瓶内胆以轴向支撑为固定点发生摆动，虽然频率较高不易发生，但是振幅最大的位置位于内胆开孔区附近，是气瓶结构的薄弱位置，在结构优化设计中应注意用增加补强圈厚度等方法提高这些部位的强度。

4 结论

本文通过对超大容积车载LNG气瓶进行模态分析，分别获得了各阶固有频率以及各阶振型，并经过谐响应分析后得到了气瓶的位移响应曲线，结合两者的数据统一分析后可得到以下结论:

(1)气瓶的一阶固有频率虽然比较低，容易发生振动，但是实际并不会因发生共振而导致位移变形过大。

(2)气瓶二阶固有频率下发生共振时位移响应达到最大，且其振型为内胆沿轴向固定端产生明显窜动，容易导致内胆脱落，在气瓶设计时应保证此共振点不在8～40 Hz内，避免车载时发生共振。

(3)随着模态阶次的增加，气瓶固有频率增大，共振很难发生，但是气瓶在三、四、五、六阶频率下发生振动时气瓶前后轴向支撑与内胆封头连接处的振动振幅最大，可能引起气瓶失效，在气瓶的结构优化设计中也应当予以重视。