顾婷婷 康彬 董涛涛 唐英国 周文君

摘 要：为研究液化天然气（LNG）供气系统中框架的结构优化。利用hypermesh和ansys的联合仿真，将优化后的框架通过有限元分析进行强度校核。结果表明优化减重后的LNG供气系统框架结构是可行的，同时也为后续的结构优化提供有力的理论依据。

关键词：有限元;液化天然气;框架;结构优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.017

0 引言

液化天然气（LNG）供气系统安装在驾驶室后方汽车大梁上。供气系统合理利用车辆的安装空间，可以为车辆提供更多能源，增大车辆续航里程。同时供气系统自身重量对车辆有较大影响，因此对供气系统进行减重有着重要的意义。减重主要考虑的是供气系统中的框架部分，如何选择更轻便但又满足性能要求的框架结构尤为重要。

通过有限元法对供气系统的框架进行力学分析，进而从力学分析角度对结构进行优化，为框架的减重提供有力的理论依据。为使产品在市场上更具有竞争性、经济性奠定基础 [1]。

1 结构优化

LNG双气瓶后置式框架总成固定在汽车的大梁上，其外围框架是由不同尺寸的方钢管焊接而成，四个鞍座固定在焊接架上来支撑LNG气瓶。结合管材的标准外形尺寸，在原有的后置式双气瓶供气系统框架的基础上，对框架进行优化，达到减重的目的。具体方案如下：（1）顶部和两侧的方钢管减薄，顶部的方钢管由60×40×3mm改为60×40×2mm，两侧的方钢管由60×60×3mm改为60×60×2mm;（2）鞍座底部板和鞍座上支撑组件底板厚度由6mm改为4mm;（3）取消顶层框架的加强筋。

2 框架有限元模型的建立

根据框架的实际尺寸结构建立三维几何模型。将几何模型以STP的格式导出，再导入到Hypermesh中，利用solid edit中的Boolean运算将框架刚性的连接为一个整体，用3D网格对其进行有限元网格划分，建立框架的有限元模型。其中由于整个框架的焊点很密集，所以可以用Geom功能面板下刚性连接法来代替焊点。

简化后的有限元模型289774個实体单元，95361个节点组成，单元类型：8节点六面体单元SOLID185;材料特性：材料密度为7.93kg/m3 ，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3[2]。

3 框架强度的有限元分析

将框架的有限元模型导入到ANSYS中，首先设置边界条件，在底部固定梁与框架的接触处设置全约束，即UX=0，UY=0，UZ=0。然后进行载荷施加，垂直方向仿真汽车在不平路面上的振动，水平方向仿真汽车急刹车或受到水平方向的冲击。

对四个鞍座施加8倍双气瓶的重量，每个鞍座承受4倍的单瓶的重量，力的大小F=16000N。最后运用ANSYS对整个框架的有限元模型分别进行垂直受力和水平受力两种情况的强度计算。图1为垂直受力的等效应力云图，图2为水平受力的等效应力云图，从计算结果可以看出优化后框架的垂直受力的最大应力值=68.2MPa，水平受力的最大应力值为=109.4MPa ≤[]，优化后框架在强度上满足要求，说明此优化方案是可行的。

4 结论

根据分析的应力分布结果可知，框架上所有点的应力都未超过许用应力，变形也满足刚度设计要求。即优化减重后的LNG供气系统的框架是偏安全的，无论是从消除框架的应力方面，还是从框架结构方面都有减轻自重的余地，以免造成结构笨重、材料浪费。

利用有限元分析方法，在合理简化模型，正确加载与约束下，可以快速和深入地对结构模型进行静力分析，对不同方案的结构进行分析，并对计算机得出的应力值进行比较，对各方案作出评价后可以从中进行优选。

静力分析是结构优化设计的关键，在以上有限元分析的基础上，可以实现参数化建模，以框架总重为目标函数，以应力、应变为约束条件进行结构的优化设计。应用到LNG供气系统的框架设计中，在保证加工精度和可靠性的前提下，最大限度的节省材料，降低产品成本，提高经济性。

参考文献：

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]机械工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1989.

[3]张莉.ANSYS在拖车车架刚强度分析中的应用[J].电子机械工程，1999，80（04）：34-37.

[4]王尚斌，孙宇，武凯.压机框架有限元分析及结构优化[J].机械设计，2011，28（04）：80-83.