车用纤维全缠绕氢瓶固定架的疲劳分析与优化

摘要

20世纪90年代以来，我国汽车工业逐渐成长为国民经济的支柱产业。随着能源短缺和环境保护的迫切性，发展新能源汽车是汽车行业的必然选择。在众多新能源汽车中应用较为广泛的是氢燃料电池汽车。具有比强度和比刚度高等优点的纤维全缠绕高压储氢气瓶在氢燃料电池汽车供氢系统中是一个关键部件。由于氢气的易燃易爆性，使得车用氢瓶各个部件尤其是车用氢瓶固定架在随机振动下的疲劳寿命分析与优化是很有必要的，因为一旦固定架在服役过程中失效，将会导致氢瓶与车体内其他零部件碰撞，容易引起氢瓶爆炸，造成比常规燃料汽车更严重的后果，从而危及使用者的生命和财产安全。
　　车用氢瓶固定架在随机振动下的疲劳分析是涉及结构动力学、概率统计理论、疲劳强度理论等多学科的研究。本文主要基于随机振动理论和路面不平度的功率谱表达，使用有限元方法分析车用氢瓶固定架在随机路谱激励下的动态响应，并根据疲劳寿命分析方法对其进行寿命评估，最后对车用氢瓶固定架进行优化设计。具体工作有如下三个方面:
　　首先，介绍结构动力学基础理论，随机振动的描述及路面不平度的功率谱表达;阐述疲劳累积损伤理论，主要为线性疲劳累积损伤理论及其修正和非线性疲劳累积损伤理论;探讨随机疲劳分析方法，包括时域随机疲劳分析法和频域随机疲劳分析法，重点探讨三区间应力法。
　　其次，在保证精度和控制规模的前提下，对车用氢瓶固定架及氢瓶几何模型进行简化，建立合适的有限元模型;随后进行模态分析，获得结构固有频率及相应振型;在考虑车速影响情况下将国家标准中路面不平度的空间频率功率谱密度转化为时间频率功率谱密度，在此基础上分析结构在随机路谱激励下的动态响应;并根据分析结果，结合线性累积损伤理论和三区间应力法评估固定架在A级道路与D级道路上的疲劳寿命。
　　最后，分析车用氢瓶固定架在极限载荷作用下与车体两种安装方式的强度和刚度性能，得出氢瓶长度方向垂直于行车方向的安装方式较好;以固定架寿命为优化目标，得出随机路谱激励下最优氢瓶固定架的绑带间距，为车用氢瓶组件的设计提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 路面不平度的研究概况

1．2．2 随机振动的研究概况

1．2．3 随机疲劳分析的研究概况

1．3 本文主要工作

2 基础理论介绍

2．1 随机振动理论及路面不平度

2．1．1 结构动力学基础

2．1．2 随机振动的描述

2．1．3 路面不平度的功率谱表达

2．2 疲劳寿命分析理论

2．2．1 疲劳的定义

2．2．2 疲劳累计损伤理论

2．2．3 随机疲劳的分析方法

2．2．4 三区间应力法

2．3 本章小结

3 随机振动下车用氢瓶固定架的疲劳分析

3．1 有限元模型的建立

3．1．1 模型的简化

3．1．2 材料的定义

3．1．3 模型的建立

3．2 车用氢瓶固定架的随机振动分析

3．2．1 模态分析

3．2．2 路谱的处理

3．2．3 随机振动响应

3．3 车用氢瓶固定架的疲劳分析

3．3．1 疲劳失效模型

3．3．2 两种路谱下固定架的疲劳分析

3．4 本章小结

4 车用氢瓶固定架的优化

4．1 极限加速度载荷下固定架安装方式的比较

4．2 氢瓶固定架的绑带间距优化

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢