李树勋 王宜雪 杨玲霞 康雯宇

（1.兰州理工大学，石油化工学院，兰州 730050；2.机械工业泵及特殊阀门工程研究中心，兰州 730050）

主题词：高压氢气瓶阀 外部激励 结构强度 疲劳强度 可靠性

1 前言

车载储氢系统是氢能燃料电池汽车的重要组成部分。高压氢气瓶阀作为车载储氢系统的重要组件，直接连接在储氢气瓶上，有密封气瓶和启闭高压气体的作用，对保障氢燃料电池汽车安全运行具有重要作用。汽车行驶过程中，高压氢气瓶阀在急转弯、紧急制动和颠簸等特殊路况下承受惯性冲击和道路随机振动载荷作用，阀门的可靠性与稳定性将受到影响，大概率会造成阀门结构的强度及刚度失效问题。因此，研究高压氢气瓶阀在多种外部激励载荷作用下的结构强度、疲劳强度对其可靠性分析具有指导意义。

近年来，国内外学者在外部激励载荷下的结构强度分析、疲劳强度分析及可靠性研究等方面取得了一定成果。目前，对结构进行随机振动疲劳分析的方法主要有时域法和频域法。吴赵佳等采用雨流计数法并运用Miner 理论对衬套疲劳寿命进行了分析计算。刘芬等采用时域法并结合Miner理论和雨流循环计数法，分析了焊缝及母材的随机振动疲劳寿命。时域法需循环计数，计算量较大，因此目前大部分学者采用频域法对结构进行随机振动疲劳分析。龚苏生等采用频域法对空调管路进行随机振动疲劳分析，找出了引起管路疲劳失效的主要原因。R.Kendre采用频域法对启动电机进行了随机振动分析。目前没有针对汽车在路面行驶过程中各种外部激励载荷作用下的高压氢气瓶阀结构强度及疲劳强度研究，本文运用ANSYS 有限元软件分析计算新能源汽车在颠簸、紧急制动和急转弯等道路行驶过程中惯性冲击载荷作用下高压氢气瓶阀的结构强度，并根据高斯分布和Miner 法则，运用频域法分析计算道路随机振动载荷作用下高压氢气瓶阀结构的疲劳强度，为高压氢气瓶阀安全可靠运行研究提供参考。

2 随机振动疲劳分析理论

表1 基于高斯三区间法的随机振动应力分布

高压氢气瓶阀结构的疲劳损伤度为：

式中，n为结构发生疲劳损伤时的实际循环次数；N为材料-曲线上当应力为时对应的循环次数；、、分别为材料-曲线上应力1、2、3对应的循环次数；、、分别为应力为1、2、3时对应的实际循环次数。

结构不发生疲劳损伤破坏时，<1，结构发生疲劳损伤破坏时，=1。

3 高压氢气瓶阀有限元模型

3.1 材料属性

高压氢气环境会对材料产生一定的劣化作用，6061-T6 铝合金材料具有质量轻、抗氢脆、高强度等优点，用作高压氢气瓶阀主阀体材料，同时选择对氢气敏感度较低的316L 不锈钢材料用作截止阀阀体、阀芯和螺栓材料，力学性能参数如表2所示。

表2 材料力学性能参数 MPa

3.2 有限元模型建立

通过对大量相关标准和产品的调研，针对氢燃料电池汽车的动力系统中供氢阀关键问题，本文设计了结构如图1所示的70 MPa车用氢气电磁组合阀，其工作压强为70 MPa，极限工作压强可达87.5 MPa。对模型进行合理简化，分析外部激励载荷作用下高压氢气瓶阀主阀体与截止阀部分的结构强度可靠性，有限元分析模型如图2所示。

图1 70 MPa车用氢气电磁组合阀结构示意

图2 高压氢气瓶阀有限元模型

对模型进行网格划分及网格无关性检验，最终确定网格节点数量为531 886 个，网格单元数量为356 393个，网格模型如图3所示。

图3 高压氢气瓶阀网格模型

4 有限元分析

4.1 惯性冲击载荷下的高压氢气瓶阀结构强度分析

车辆在颠簸路面行驶时，会遇到2 种典型工况，即颠簸+紧急制动工况和颠簸+急转弯工况。车辆受到的惯性冲击载荷将传递到高压氢气瓶阀，本文分别对车辆在以上2种典型工况下运行时高压氢气瓶阀的结构强度进行有限元分析。

4.1.1 边界条件与载荷

假定实际工况下车架上的储氢气瓶固定不摇动，高压氢气瓶阀主阀体2外螺纹连接部位设置为固定约束，主阀体2与截止阀10螺纹连接处设置接触类型为摩擦，根据文献[13]，车辆在2 种典型工况下的加速度载荷如表3所示，根据表3分别对高压氢气瓶阀各方向施加不同的加速度载荷。

表3 2种典型工况下的加速度 g

4.1.2 惯性冲击载荷下的结构强度分析结果

图4、图5 所示分别为高压氢气瓶阀在2 种典型路况下受惯性冲击载荷作用的应力及变形云图。

由图4、图5可知，高压氢气瓶阀在2种典型工况下的应力及变形均主要分布在螺纹连接处，2种工况下的最大应力分别为63.71 MPa和66.18 MPa，最大应力均分布在截止阀阀体靠近端面的第1 个螺牙根部位置，2 种工况下最大变形量分别为4.16 μm和4.21 μm。

图4 颠簸+紧急制动工况下应力和变形云图

图5 颠簸+急转弯工况下应力和变形云图

进一步对各螺牙受力情况进行分析，如图6所示，2种工况下不同螺牙根部应力变化曲线描绘了螺纹连接处的强度变化过程，可知在2种工况下从第1螺牙至第9螺牙根部的应力均呈现减小趋势。

图6 2种工况下不同螺牙根部应力变化曲线

由以上分析可知，汽车在上述2 种路况下行驶时，高压氢气瓶阀结构薄弱位置均为阀体螺纹连接处，该处应力远超过其他位置，但未超过材料许用应力，则高压氢气瓶阀的安全可靠性在上述2 种工况中均可得到保证。

4.2 随机振动载荷下的高压氢气瓶阀疲劳强度分析

4.2.1 边界条件与载荷

首先在截止阀与主阀体接触的上端面施加轴向预紧力21 103.90 N，在阀内气体通道施加最大工作压强87.5 MPa，并将截止阀与主阀体螺纹连接部位的接触类型设置为摩擦，进行结构静力学分析；然后将静力学分析结果导入进行模态分析；最后将结果导入进行随机振动分析，施加GB/T 4857.23—2021《包装运输包装件基本试验第23部分：垂直随机振动试验方法》中4种不同路况的功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）激励，即中国地区部分公路随机振动PSD、ISO 13355:2001 公路随机振动PSD、ASTM D4728-06 公路随机振动PSD、ISTA 3A 公路随机振动PSD，同时设置阻尼，取计算阻尼比为0.02。

4.2.2 模态分析

模态分析使用分块兰索斯（Block Lancos）法，分析得到结构的前12阶模态振型及固有频率，其中前6阶模态的固有频率如表4所示。

表4 前6阶固有频率及其振型

4.2.3 随机振动载荷下的疲劳强度分析结果

中国公路路况PSD 激励三轴加载下高压氢气瓶阀结构的1冯·米塞斯（von Mises）应力云图如图7 所示，由图7可知，最大1应力分布在第1个螺纹位置处。因螺纹连接部位易发生振动，使得螺纹连接处的1应力相对较大。

图7 三轴加载时结构的1σ von Mises应力云图

对高压氢气瓶阀结构分别沿、、轴方向单独加载随机振动激励谱得到的1von Mises 应力最大值均位于截止阀阀体第1个螺纹位置，各方向加载激励后的最大1、2、3von Mises应力结果如表5所示。由表5可知，三轴同时施加激励下的应力大于某一单轴施加激励下的应力，该结构在三轴随机振动下的受力状态差。本文基于Miner 法则和高斯三区间法对高压氢气瓶阀结构在三轴随机激励下的疲劳强度开展分析计算。

表5 单轴与多轴加载下的最大von-Mises应力 MPa

根据以上结构的三轴随机振动应力结果，同时结合6061-T6 材料的曲线，如图8 所示，查得1、2及3应力下相应的、、分别为1.19×10次、6.57×10次及2.86×10次。根据表1 中的实际循环次数公式和式（1），可求得1、2及3von Mises疲劳损伤值，高压氢气瓶阀在三轴同时加载随机激励时产生最危险节点的PSD响应曲线如图9所示，获得该点最危险的振动频率为6.368 Hz。

图8 6061-T6材料S-N曲线

图9 高压氢气瓶阀螺纹连接处最危险点的PSD响应曲线

计算高压氢气瓶阀在三轴同时加载随机激励时结构最危险点的疲劳损伤度为：

由以上结果可知，高压氢气瓶阀结构最危险点的疲劳损伤度远小于1，因此所设计的阀门结构在中国地区部分公路随机振动PSD激励下的疲劳强度满足要求。

对高压氢气瓶阀结构加载其余3 种路况的PSD 激励，获得结构的最大1von Mises 均位于截止阀阀体靠近介质压力作用面的第1 个螺牙根部。为进一步研究结构薄弱部位的应力变化情况，分别对4种路况PSD激励加载下截止阀阀体螺牙根部的受力状态进行分析，得到4种PSD激励下不同螺牙的1von Mises应力变化曲线如图10所示。由图10可知：结构在中国地区部分公路随机振动PSD激励下第1个螺牙根部的1von Mises应力值最大，为3.057 MPa；在ASTM D4728-06 公路随机振动PSD 激励下第1 个螺牙根部的1von Mises 应力值最小，为1.435 MPa；在4 种PSD 激励三轴加载下，从第1 螺牙至第9 螺牙的1σ von Mises 应力分布均呈减小趋势。

图10 4种PSD激励三轴加载下不同螺牙1σ von Mises应力变化曲线

高压氢气瓶阀结构在4 种PSD 激励三轴加载下的疲劳强度分析结果如表6所示，由表6可知，结构在4种PSD激励三轴加载下的疲劳强度均满足要求。

表6 高压氢气瓶阀三轴加载下的疲劳强度分析结果

5 结束语

本文运用有限元仿真方法分析计算了在2 种典型路况下行驶时高压氢气瓶阀的结构强度，并基于Miner法则和高斯分布，采用频域法计算了4种PSD激励下高压氢气瓶阀结构的疲劳强度，得到以下结论：自主设计的高压氢气瓶阀在2 种特殊路况下的最大等效应力分别为63.71 MPa和66.18 MPa，均小于该处材料的许用应力，结构强度均满足要求；在4 种PSD 激励下的疲劳损伤度均小于1，疲劳强度均满足要求。该方法可为高压氢气瓶阀安全可靠运行研究提供参考。