LNG车载气瓶支架的轻量化设计.pdf

Automobile Parts 2023.06007Lightweight Design of LNG Vehicle Gas Cylinder SupportLNG 车载气瓶支架的轻量化设计收稿日期:2022-10-23基金项目:湖北省自然科学基金项目(2014CFB630);汽车零部件技术湖北省协同创新项目(2015XTZX0421);汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室开放基金项目(ZDK1202004)作者简介:孙晨浩(1995),男,硕士研究生,研究方向为汽车轻量化。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.002LNG 车载气瓶支架的轻量化设计孙晨浩,吴胜军,梁治千,张宗宏湖北汽车工业学院汽车工程学院,湖北十堰 442002摘要:以某半挂车储气瓶支架作为研究对象,使用有限元仿真软件对其开展了刚度及强度计算,并根据计算结果运用变密度法对支架结构进行了拓扑优化,最终根据拓扑最佳优化结果建立了新的支架模型并二次分析验证其有效性。在此基础上,以各杆件壁厚作为设计变量,以最小质量、强度、刚度为目标条件,运用响应面法筛选出支架各杆最优厚度组合。优化后的模型相比原模型最大应力、最大变形量及质量都有所减少,表明拓扑优化结合尺寸优化组合是一种非常有效的轻量化优化方法。关键词:LNG 车载支架;轻量化;拓扑优化;响应面优化中图分类号:TH122Lightweight Design of LNG Vehicle Gas Cylinder SupportSUN Chenhao,WU Shengjun,LIANG Zhiqian,ZHANG ZonghongCollege of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan Hubei 442002,ChinaAbstract:Taking the support of a semi-trailer gas cylinder as the research object,the stiffness and strength of the support were calculated by using finite element simulation software,and the topology optimization of the support structure was carried out by using the variable density method according to the calculation results.Finally,a new support model was established according to the topology optimization results and its effectiveness was verified by secondary analysis.On this basis,taking the wall thickness of each rod as the design variable and with the minimum quality,strength and stiffness as the objective conditions,the response surface method was used to screen out the optimal thickness combination of each rod of the support.Compared with the original model,the maximum stress,maximum deformation and quality of the optimized model are reduced,which indicates that the combination of topology optimization and size optimization is a kind of very effective lightweight optimization method.Keywords:LNG vehicle support;lightweight;topology optimization;response surface optimization0 引言随着我国商用车市场的迅速发展,液化天然气(LNG)已经逐渐成为载重卡车及大巴供油系统的主要能源。液化气瓶是燃油供应系统中的一个关键部件,它的支架起到了固定和支撑气缸的功能,当汽车运行时,气瓶支架如果出现裂纹,就会造成气缸的脱落,这会对其安全造成很大的威胁。与此同时,气瓶支架的轻量化结构可以减轻燃料供应设备的负载以及可以改善车辆的燃料经济性。因此,在气瓶支撑结构的合理设计时,满足强度指标和轻量化的要求对提高汽车的可靠性和安全性具有重要意义。高庆等1-2针对车载轻量化铝合金 LNG 框架进行静力学分析和模态分析;赵杰等3通过对汽车液化天然气罐箱进行了停靠、颠簸和刹车等 3 种情况的强度计算,利用变密度方法进行了结构的拓扑优化,并将各个工作状态进行了综合考虑,使整车的总质量降低了 14.1%;魏平等4对车载 LNG 气瓶框架在水平弯曲和急转弯等典型工况下进行了静态和自由模态分析;吴昊5针对某轻型货车油箱支架进行了强度分析,同时对油箱支撑座运用尺寸优化技术进行优化设计,对比优化之前的尺寸,其减少了 17.1%,优化效果比较明显。目前,针对车载铝合金 LNG 支架进行轻量化,通过拓扑优化可达到轻量化目的,但针对拓扑优化结合尺寸优化的研究较少。基于此,按照国家标准 GB/T 207342006 液化天然气汽车专用装置安装要求 的规定6,本文对气瓶支架完成静力学分析,对应力较大处进行结构拓扑优化;运用响应面优化方法,通过 Box-Behnken 设计抽样构建克里金响应曲面模型;采用多目标遗传算法对其进行优化,并对其进行优选,以达到减轻结构质量的目的。1 有限元模型的静力学分析1.1 有限元模型的建立车载 LNG 支架结构如图 1 所示。主要用于安装 LNG2023.06 Automobile Parts008研究与开发Research&Development气瓶的双层框架,在底座上安装有侧梁和左右纵梁组件,在框架内安装有用于支撑气瓶的鞍座。材料为6061-T6,其力学性能见表 1,总质量约为 112.75 kg。利用 SolidWorks 软件建立气瓶支架三维模型,并导入ANSYS Workbench 分析软件,如图 2 所示。图 1 车载 LNG 支架结构表 1 材料力学性能材料密度/(kg m-3)弹性模量/Pa泊松比屈服极限/MPa6061-T62 8496.8910100.33276图 2 支架有限元模型1.2 LNG 气瓶支架的静态分析各工况加载方式见表 2。依据标准对 3 种工况下气瓶支架强度进行分析,支架静态分析结果如图 3 所示。表 2 各工况加载方式工况XYZ正常行驶2 g紧急制动g2 g急转弯gg图 3 支架静态分析结果Automobile Parts 2023.060093 种工况的强度分析对比见表 3。由表可以看到,正常行驶工况与紧急制动工况最大应力出现在框架与底座连接处,分别为 69.70、156.33 MPa,满足材料 6061-T6的屈服强度,最大变形量发生在鞍座位置分别为 0.98、3.14 mm。在急转弯条件下,最大应力及最大变形主要发生在弧板位置,分别为 133.67 MPa 和 4.85 mm。支架的强度和刚度符合要求且支架还存在一定安全余量,有进行轻量化设计的空间。表 3 3 种工况的强度分析对比正常行驶紧急制动急转弯最大应力/MPa69.70156.33133.67最大变形/mm0.983.144.852 车载支架结构拓扑优化2.1 变密度法拓扑优化变密度法拓扑优化设计的基本原理是将优化结构的特定设计位置的相对密度值作为优化变量。采用均匀化方法计算出各个位置设计变量与材料弹性模量之间的参数关系,并采用迭代方式来获得结构设计域的最优材料分布形式5,主流的变密度法材料插值模型有 SIMP 插值模型(solid isotropic microstructures with penalization)及 RAMP(rational approximation of material properties)插值模型。SIMP 插值模型的材料插值计算公式如下:Ee(x)=Emin+xp(E0-Emin)(1)0 xpE02(1-v0)xpE04-2(1+v0)x(2)0 xpE02(1+v0)xpE02(1-x)(3-v0)+2(1+v0)(3)可得惩罚函数 p 为:pp(v0)=max21-v0,41+v0(4)RAMP 插值模型的材料插值计算公式如下:Ee(x)=Emin+x1+p(1-x)(E0-Emin)(5)式中:x 为设计变量;Ee为弹性模量,Ee0,1;E0和 Emin分别为原始弹性模量和空洞弹性模量。本文基于 SIMP 插值模型的拓扑优化的数学模型为:findX=(x1,x2,x3,xi,xN)TminM(X)=Ms.t.maxmax0 xminxixmax1(6)式中:X 为优化变量;M 为质量,即目标函数;为应力;为变形;xi为第 i 个单元相对密度值。针对 3 种不同的工况,设计出一种新型的支架。经过对正常行驶、紧急制动和紧急转向条件的最优解,并进行拓扑迭代法运算,得到了 3 种工况拓扑云图如图 4所示。图 4 3 种工况拓扑云图2.2 支架新结构的优化设计由于 3 种工况的拓扑结果是相互独立的,因此,基于 3 种工况下的拓扑结果,确定需要保留的公共部位,然后将其余部分根据实际工况和设计要求进行删减等操作,得到初步支架的新结构,如图 5 所示。Lightweight Design of LNG Vehicle Gas Cylinder SupportLNG 车载气瓶支架的轻量化设计2023.06 Automobile Parts010研究与开发Research&Development图 5 新支架模型2.3 框架新结构的有限元分析为了验证优化后的新模型是否满足强度和刚度要求,对最危险工况(紧急制动)进行分析,优化后紧急制动的应力与变形云图如图 6 所示。优化前后结构的性能指标对比见表 4。图 6 优化后紧急制动的应力与变形云图表 4 优化前后结构的性能指标对比原模型优化后模型最大应力/MPa156.33146.27最大变形/mm3.143.17质量/kg112.7593.20由表 4 可知,经拓扑优化后模型的支架最大应力为146.27 MPa,比原模型降低了 6.44%;支架的最大变形和原模型没有显著差异,优化后质量约为 93.20 kg,相比原模型降低了 17.34%。3 响应面法优化设计3.1 DOE 试验设计尽管拓扑后的结构整体和材质的利用有了很大的提高,但是各矩形管壁厚仍存在优化空间,因此有必要对拓扑优化后的支架模型进行尺寸优化以确定各矩形管的最佳厚度参数组合。气瓶支架主要由底座、主梁、加强筋、横梁、侧板和弧板组合,如图 7 所示。由于整个气瓶支架具有对称性这个特点,将功能类似、截面厚度相同的杆件划分为一个组,在优化过程中将杆件的厚度参数作为设计变量,各设计变量的取值范围见表 5。图 7 杆件分组示意表 5 设计变量的取值范围单位:mm变量名称取值范围底座厚度2.55.5主梁厚度2.55.5加强筋厚度2.55.5横梁厚度2.55.5由于 Box-Behnken 是常见的试验设计方法,适用于25 个因素的优化,所以本文采用此方法对空间内进行抽样获取 25 个设计点,具体见表 6,采用克里金法拟合近似响应曲面模型7。Aut