天然气轿车用复合材料气瓶碰撞模拟试验研究.pdf

．试 验 ． 测试 ． 天然气轿车用复合材料气瓶碰撞模拟试验研究 张永明 黄 中荣 z 郑祖 丹 2 吴 斌 3 朱西产 3 1 ． 华东理工大学 ； 2 ． 国家机动车产品质量监督检验 中心 上海 ； 3 ． 同济大学 【 摘要】 应用台车模拟正面碰撞试验， 研究了行李模块对天然气轿车复合材料气瓶造成冲击损伤的规律 确定了 考核气瓶 固定装置与其完整性的碰撞试验方法 ； 应用落球试验确定 了气 瓶的冲击容限值 ． 并 对吸能材料力学特性进 行了分析 ；利用正面碰撞 中的安全性仿真分析得 到了当气瓶与行李模块 以不 同速度 、同向运动时气瓶受到 的冲击 力 ． 并以此作为评价气瓶在正 面碰撞 中的安全性指标 主题词 轿车天然气气瓶复合材料碰撞试验评价指标 中图分类号 U 4 6 7 ． 1 4 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 2 1 2 0 0 5 7 0 5 Re s e a r c h o n Co mp o s i t e Ga s Cy l i n d e r Cr a s h S i mu l a t i o n Te s t o f Na t u r a l Ga s Ca r Z h a n g Yo n g mi n g ， Hu a n g Z h o n g r o n g 2 ， Z h e n g Z u d a n 。 ， W u Bi n ， Z h u Xi e h a n 1 ． E a s t C h i n a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y；2 ． Na t i o n a l Ce n t e r o f S u p e r v i s i o n a n d I n s p e c t i o n o n Mo t o r V e h i c l e P r o d u c t s Q u a l i t y S h a n g h a i ； 3 ． T o n g j i U n i v e r s i t y 【 A b s t r a c t ] I n t h i s p a p e r ，t h e p a t t e rn o f i m p a c t d a ma g e i n d u c e d b y l u g g a g e m o d u l e s o n n a t u r a l g a s c o m p o s i t e c y l i n d e r s o f e a r s a r e a n a l y z e d b y u s i n g a S l e d t e s t t o s i mu l a t e f r o n t a l c o l l i s i o n s ． Be s i d e s ， c r a s h t e s t me t h o d f o r e x a mi n i n g r e t a i n i n g d e v i c e s o f t h e c y l i n d e r a n d i t s c o mp l e t e n e s s i s d e t e r mi n e d ．F a l l i n g b a l l t e s t i s a p p l i e d t o i d e n t i f y t h e i mp a c t t o l e r a n c e l i mi t o f t h e g a s c y l i n d e r a n d a n a l y s i s i s ma d e o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f e n e r g y a b s o r b i n g ma t e r i a 1 ． T h e i mp a c t f o r c e ，w h i c h i s i mp o s e d o n t h e g a s c y l i n d e r wh e n c y l i n d e r s a n d l u g g a g e mo d u l e s mo v e a t d i f f e r e n t v e l o c i t y i n t h e s a me d i r e c t i o n ，i s o b t a i n e d t h r o u g h s a f e t y s i mu l a t i o n a n a l y s i s a n d i s u s e d a s i n d e x t o e v a l u a t e t h e s a f e t y o f c o mp o s i t e g a s c y l i n d e r s i n f r o n t a l c o l l i s i o n s ． Ke y wo r d s Ca r ， Na t u r a l g a s c y l i n d e r ， Co mp o s i t e ma t e r i a l ， Cr a s h t e s t ， Ev a l u a t i o n i n d e x 1 前 言 天然气 C N G 汽车在行驶过程 中， 因紧急制动 或发生碰撞事故时 ．布置在其后备舱中的复合材料 气瓶 以下称气瓶 很容易受到挤压或外来物品的冲 击而发生变形 ． 甚至发生爆炸Ⅲ 。因为气瓶纤维缠绕 层的层问强度很低 ． 对 冲击作用 比较敏感 ． 低速冲击 即可使复合材料层合板强度削弱 3 5 ％～ 4 0 ％ ．将导 致结构的承载能力和疲劳寿命降低 目前 ． 针对天然气轿车的碰撞试验研究 主要是 根据 F MV S S 3 0 3 { 缩天燃气车辆燃料系统 的完整 性 要求进行 。F MV S S 3 0 3规定 ， 在碰撞试验时 ， 在 车辆后备舱中放置额定质量的货物和行李 ． 测试碰 撞时气瓶安装支架的位移值 ． 以考核气瓶安装支架 的安装强度 由于以前大多使用冲击敏感性较低的 钢质气瓶 ．因此 F MV S S 3 0 3并没有将额定 质量 货 物和行李对气瓶表面冲击造成的损伤列为考核 目 标 我国学者参照 F MV S S 3 0 3的安全评价 指标 对 2 0 1 2年第 1 2 期 天然气轿车进行 了实车碰撞试验 ． 试验表 明 ． 在没 有行李模块的条件下 ． 正面碰撞对布置在车辆后备 舱中的气瓶影响较小『 3 1 但是我国某气瓶检测站对 车载天然气气瓶定期检验数据显示 。 按 汽车用压 缩天然气金属 内胆纤维环缠绕气瓶定期 检验与评 定 要 求检验的 ， 含表 面损伤 缺陷的复合材料气瓶 数 占年度总检验数的 7 ％_4 1 ． 这表 明轿车后备舱 中的 物体对气瓶造成的损伤 已不可忽视 。因此 ． 有必要 研究 轿车后备舱的物品对气瓶造成 的冲击损 伤和 安全评价指标问题 ． 为制订 天然气汽车的碰撞安全 性能要求提供参考 本文应用台车模拟正面碰撞试验 ．研究了行李 模块对气瓶和气瓶安装支架完整性的影响．以及对 气瓶造成冲击损伤的规律 ．并确定了考核气瓶和气 瓶安装支架完整性的碰撞试验方法 2 台车正 面模 拟碰撞试验 为研究正面碰撞时放置在轿车后备舱 中的行李 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．试 验 ． 测 试 ． 对气瓶和安装支架完整性的影响 ，参考G B 1 5 0 8 3 -- 2 0 0 6 汽车座椅 、 座椅固定装置及头枕强度要求和试 验方法 制定了动态试验方法。 试验采用 I N S T R O N加 速型台车试验装置 ， 试 验用气瓶是在金属内胆上环向缠绕玻纤。金属 内胆 材料为 3 0 G r M0 ，壁厚为 4 ． 9 mm缠 绕层厚为 4 ． 4 m m．玻纤 的拉伸强度平均值为 2 3 9 9 MP a ； 气瓶容积 为 6 0 L． 直径为 3 2 5 mm 设计爆破压力为 5 0 MP a 。 试验用行李模块分为木质外壳包裹实心金属块 边 长为 3 0 0 mm的正方体 ， 总质量为 1 8 k g ， 其 惯性 中 心与几何中心重合 和用 R 5 0 mm角钢包木质外壳 行李模块棱边 2种形式 台车试验 的 目的是研 究行李模块对气瓶缠绕 层表面的冲击损伤情况 ． 试验 时气瓶未充压。为拍 摄试验中行李模块 的运动情况 ． 该试验未采用 白车 身 ． 而是将气瓶 固定在 台车的安装平板上 ， 行李模 块放置在距气瓶 2 0 0 m m处 图 1 ， 对准气瓶瓶 身 中部位置进行碰撞试验 ．以模拟行李对气瓶的冲击 情况 按照 G B 1 5 0 8 3 --2 0 0 6规定 的减速波形l 5 l进行 试验． 为考察行李模块的不同安放位置 、 不同刚度对 气瓶缠绕层冲击损伤的影响． 设计了 6种试验工况． 见 表 1 图 1 试验气瓶 与行李模块相对位置 表 1 试 验 工 况 工况 试验方法 试 验 目的 考核气瓶 安装 支 l 无行李模块 架完整性 木质外壳 包裹行李模块 ．行李 考核气瓶 安装 支 2 模块沿水平 方 向对气瓶 中部位置 进行碰撞 架完整性 木质外壳 包裹行李模 块 ．行李 分析行 李对气 瓶 3 模块沿水平 方 向对气瓶 中部位置 进行碰撞 造成的冲击损伤 木质 外壳包裹行李模 块 ．行李 分析行 李对气 瓶 4 模块偏转 4 5 o 撞击气瓶 造成的冲击损伤 R 5 0 mm角钢包裹行李模块棱 分析 行李对气 瓶 5 边 ． 行李模块偏转 4 5 。 撞击 气瓶 造成的冲击损伤 气瓶 表面覆盖 1 层 至 3层 吸能 毛毡 ． R 5 0 m m 角钢 包裹行 李模 分析 毛毡 的冲击 6 块 棱边 ．行李 模块 偏转 4 5 。 撞击 能量吸收作用 气瓶 2 ． 1 气瓶 安装 支架 完整性 试验 结果 与分 析 按照 G B ／ T 1 9 2 4 0 --2 0 0 3 压缩天然气 汽车专用 装置的安装要求对试验用气瓶安装支架进行静态 试验 试验时在被紧固气瓶的上 、 下 、 左 、 右 、 前 、 后 6 个方向上施加 8倍气瓶质量 的静力．要求气瓶安装 支架固定点的最大相对位移不超过 1 3 mm。静态试 验结果满足要求 试验工况 1 是根据 I S O l 5 5 0 1 1 标准要求进行 气瓶安装支架的完整性动态试验 ．用气瓶安装支架 将气瓶固定在 台车工作 台上 图 1 ， 试验时台车平 均加速度为 2 2 ， 保持 3 2 ． 5 m s 。气瓶安装支架完整 性测试合格 工 况 2时 的 台车 加 速 度 为 2 0 g ．其 台 车 加 速 度一 时间波形如图 2所示 试验开始 5 6 m s 后 ． 行李 模块撞 击气 瓶 ． 6 2 I n s时气 瓶安装支架 的 M8紧 固 螺栓发生断裂 ． 更换成 M1 2紧固螺栓再次试验 ． 结 果发生安装支架断裂 ． 被试气瓶飞出台车试 验平 台 数米距离 r限 3 0 2 5 2 0 1 5 型1 0 5 0 - 5 0 1 5 3 0 ， 4 5 6 0 7 5 9 0 1 0 5 1 2 0 1 3 5 1 5 0 时间， m s 图 2工况 2的加速度一 时问曲线 2 ． 2 C N G 气 瓶 完整性 碰撞试 验 结果与 分析 加 固气瓶安装支架强度后进行工况 3试验 ． 试 验共历 时 1 2 0 I n s ．在 6 0 1T I s时气瓶发生最 大位 移 1 3 5 mm． 经检查气瓶缠绕层未发生冲击损伤 采用工况 4试验后 ．经检测未发现气瓶缠绕层 表面有 目视可见损伤 ． 但行李模块棱角处损坏 由于木质外 壳行李模块 未能对气 瓶表面造成 损伤 ． 因而工况 5使用 R 5 0 mm角钢包裹棱边的行 李模块进行碰撞试验 碰撞后检测发现 ．气瓶缠绕 层表面有宽 1 1 mm、 深 2 ． 5 mm的损伤 区域 ， 气瓶缠 绕层出现了基体压溃 、 纤维断裂等严重 的冲击损伤 利用工况 6进行碰撞试验后发现 ．采用 1层毛 毡时．碰撞后在气瓶缠绕层表面造成深 1 m m的开 裂 ， 宽 1 0m m的分层损伤 覆盖 2层毛毡后 ． 第 1 层 毛毡破损 ．气瓶缠绕层表面形成宽度大于 6 mm的 分层损伤 ， 缠绕层未开裂 ； 覆盖 3层毛毡后 ， 气瓶缠 绕层表面有宽 6 m m的分层损伤 台车模拟正面碰撞试验表明 ．采用工况 5和工 况 6试验后所造成 的分层 损伤 ．超过 G B 2 4 1 6 2 -- 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．试 验 ． 测 试 ． 表 2落球冲击试验结果 覆盖毛毡层数 无覆盖物 l 2 3 4 5 接触瞬时加速度詹 - 3 5 3 ． 5 3 l 1 ． 1 - 3 2 0 ． 4 - 2 9 9 ． 8 - 3 2 5 ． 0 3 1 0 ． 1 脱离接触瞬时加速度 1 4 ．0 6 1 2 _ 3 3 1 1 ．4 9 8 ． 8 1 7 ． 9 8 5 ． 9 8 冲击持续时间／ ms 2 ． 1 2 ． 2 2 ．2 2 ． 4 2 ．4 2 ． 7 接触瞬时冲击力， N 1 2 3 7 1 0 8 8 1 1 2 1 1 0 4 9 1 l 3 7 1 0 8 5 最 大变 形 量 ／ mm - 8 ． 2 7 - 8 - 3 0 - 9 ． 7 7 1 0 ． 7 7 1 1 ． 9 4 1 2 ． 2 1 冲击能量吸收率／ 9 6 0 ．4 4 0 ． 4 2 0 ．4 4 0 ． 5 O O ． 5 0 0 ． 4 9 争 U a - M 2 2 4 4 气 瓶正面碰 撞 中的安全性仿真分析 5 6 式中， 为冲击动能 ； 为损伤吸收能 ； 为脱离接 触后 的反弹动能 ； 为瞬时冲击接触速度 ； ， 为脱离 接触瞬时最大反向速度 ； 为冲击能量吸收率 。 落球冲击试验表明 ，在冲击能量为 2 5 J时 ， 在 气瓶表面覆盖不 同层数的毛毡后．使得 冲击持续时 间延长 0 ． 1 0 ． 6 m s ．而且 ， 随毛毡厚度 的增加而逐 渐减小 ，表明毛毡有吸收冲击能量的作用。但根据 式 6 计算得到气瓶 的纤维缠绕层 的冲击能量 吸收 率为 0 ． 4 4 ．覆盖 1 层至 5层毛毡后冲击能量平均吸 收率为 0 ．4 7 。即覆盖不 同层数的毛毡后 ，使得冲击 能量 吸收率最高只增加 0 ． 0 6 ．因此可认为覆盖毛毡 的厚度对冲击能量吸收率的影响较小 图 8为覆盖 1 层至 5层和无覆盖毛毡时的冲击 力与毛毡变形特性曲线。由图 8可看出． 随冲击力的 增加， 毛毡的变形量呈线性增加 ． 当达到极限点后进 人较稳定的变形阶段 。试验表明． 当冲击开始后 1 ． 5 ～ 1 ． 9 ms 时 ． 在变形量为 8 - 9 mm区间内． 覆盖不同层 数毛毡的变形量都达到极限点 ．这也说明毛毡厚度 对变形极限点的影响较小。综合以上分析 。 可认为毛 毡作为气瓶防冲击损伤的保护材料作用有限 Z 柑 量 一 6 0 一 变形量／ m m 图 8 冲击力与毛毡变形量关系 曲线 利用 非线性求解 器 L S - D Y N A和后处 理 软件 H y p e r v i e w建立某车型整车有限元模型圈 。 在正面全宽 碰撞试验条件下．对该车型压缩天然气轿车后备舱中 的气瓶进行安全性仿真分析， 仿真分析模型见图 9 。 图 9栗 车 型正 面全 宽 碰 撞 仿 真 分 析模 型 仿真分析表明．该轿车以 5 0 k m ／ h的速度撞击 固定刚性壁障时 。布置在轿车后备舱中的气瓶受到 的冲击较小。 观察碰撞过程中气瓶的运动轨迹发现 ． 气 瓶水平位移量较大 ， 达到 1 4 2 m m． 气瓶过大 的侵 入量使后围板发生较大变形 ．气瓶安装支架没有很 好地起到固定气瓶前倾 的作用 ． 如图 1 0所示 图 1 0正 面全 苋 碰 撞 中气 瓶 的侵 入情 况 然后在距气瓶 2 0 0 mm处放置行李模块 ．进行 5 0 k m ／ h正面全宽碰撞模拟试验 ．正面全宽碰撞速 度一 时间曲线见图 l 1 。由图 1 1看出， 行李模块初速 度为 1 4 m ／ s ．保持这一速度至 5 3 ms 后行李模块 的 速度突然下跌 ， 即行李模块与气瓶发生碰撞 而气瓶 的速度在第 5 3 ms 时突然增加 ． 至第 6 3 ms 时达到峰 值后下降，在 1 0 m s内气瓶的速度由 2 ． 5 m ／ s 增加至 3 ． 1 m ／ s 。由加速度一 时间曲线 图 1 2 可看出， 在 5 0 ～ 6 0 ms内，行李模块的加速度达到峰值 2 1 0 ； 6 3 ms 时， 气瓶受到行李模块撞击后． 加速度最高达到 8 2 g 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．试 验 ． 测 试 ． 经计算 ， 此时气瓶受到的冲击力为 1 4 7 6 N， 已超出本 文确定的气瓶允许承受的冲击力 1 1 2 0 N。 1 6 l 2 8 篙4 O 一4 0 2 O 4 0 6 0 8 O 1 o 0 1 2 0 时间／ ms 图 1 1 正面碰撞速度一 时 间曲线 时间／ ms 图 l 2 正面碰撞加速度一 时 间曲线 5 结束语 a ． 经静态试验合格 的气瓶安装 支架 ．在 5 0 k m ／ h的正面全宽碰撞 试验时 ． 在行李 模块撞 击下 发生断裂 ．因此气瓶 安装支架必须满足 动态试验 要求 。 b ． 台车模 拟 正 面碰撞 试 验 表 明 ． 用钢 包 角 的 行 李 模 块 撞 击 气 瓶 造 成 的 表 面 损 伤 超 过 G B 2 4 1 6 2 2 0 0 9标 准规定 的损伤 允许 值 ． 在此 试 验 条 件下 ．必 须对 气 瓶采 取 防 冲击 损 伤 的保 护 措 施 c ． 经气瓶落球试验测得 ．当气瓶允许 的最大 冲击能量为 2 5 J时 。 可利用气瓶表面受到的冲击力 1 1 2 0 N评价其在正面碰撞中的安全性 d ． 由于毛毡的冲击能量吸收率较低 ．不能对 气瓶起到有效的保护作用 ．因此毛毡不适合作为纤 维缠绕气瓶的防冲击损伤保护材料 e． 仿真分析表明． 在 5 0 k m ／ h正面全宽碰撞试 验时 ， 当气瓶和行李模块以不 同速度 、 同向运动时 ， 在行李模块撞击下 ．气瓶受到 的冲击力为 1 4 7 6 N． 超过气瓶最大允许承受 的冲击力 参考 文 献 1 N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n N A S A ． S a f e t y s t a n d a r d f o r h y d r o g e n a n d h y d r o g e n s y s t e ms G u i d e l i n e s for h y d r o g e n s y s t e m d e s i g n， me t e r i a l s s e l e c t i o n， o pe r a t i o n，s t o r a g e，a n d t r a ns po r t a t i o n． 1 99 8． 2 P a p a n i c o l a o u G C，S t a v r o p o u l o s C D．Ne w a p p r o a c h for r e s i d u a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h p r e d i c t i o n o f i mp a c t e d C F RP l a mi n a t e s ． Co mp o s i t e s ， 1 9 9 5， 2 6 7 5 1 7 - 5 2 3 ． 3 孙 振东 ． 张振 鼎 ． 等． 压缩 天然气 汽车碰撞 试验 及安全 评 价 ． 汽车安全与节能学报 ， 2 0 1 0 ， 1 1 5 3 ～ 5 8 ． 4 李 晓辉．车用全 复合材料 C N G气 瓶 的安 全可靠性 分析 f 硕士论文1 ， 北京 首都经济贸易大学 ， 2 0 1 0 ． 5 韩晓明 ． 杨臻 ． 等． 节制杆式模拟汽车座椅强度试验装置研 究． 汽车技术 ． 2 0 0 8 1 1 4 4 4 7 ． 6 张永明．纤维环向缠绕 复合 材料 C N G气瓶碰撞试验损伤 容 限研究 『 博士论文1 ． 上海 华东理工大学 ， 2 0 1 1 ． 7 J a n g k y o k i m， Ma c k a y D B， e t a 1 ．Dr o p we i g h t i mp a c t d a ma g e t o l e r a n c e o f C F RP wi t h r u b b e r- mo d i fi e d e p o x y m a t r i x ． C o m p o s i t e s ，1 9 9 3 ， 2 4 6 4 8 5 - 4 9 4 ． 8 宋 景 良． 赵 宁 ． 等． 商用 车正 面碰 撞模 拟仿真 及其结 构优 化． 汽车技术 ． 2 0 0 7 3 2 5 ～ 2 8 ． 责任编辑文楫 修改稿 收到 日期为 2 0 1 2年 5月 2 7日。 整车整备质量／ k g b 汽油乘用车 图 1 8 乘用 车的燃油 消耗 与整备质量 的统计关系 3 ． 4 CO2 排放 汽车通过发动机燃油燃烧产生动力 的同时 ， 也 产生了 C O 温室效应气体 。从 图 1 9中可 以看出 ， 2 0 1 2年第 1 2 期 车型越大 发动机排量大 ， C O 排放量越大 。 唇 ● 皿 删 再 U 图 1 9 乘用车 C O 排放与车长的统计关系 责任编辑学林 修改稿 收到 日期 为 2 0 1 2年 1 1月 2 1日。 一 6l 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m