田建國 孟慶書 劉忠明 高順來 翁福建

摘 要：文章針對某中型卡車的氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，使用Hypermesh軟件對氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析。分析過程中目標(biāo)函數(shù)為該系統(tǒng)的重量，約束條件為各工況下的應(yīng)力，設(shè)計變量為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的厚度，在滿足強(qiáng)度與剛度的前提下，使該框架質(zhì)量減輕了4.153%。

關(guān)鍵詞：氫系統(tǒng);有限元;分析;結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-68-04

Abstract： In this paper， the finite element analysis of the hydrogen fuel power system structure of a medium-sized truck was carried out， and the hydrogen system structure was modeled and analyzed by using Hyper-mesh software. In the process of analysis， the objective function was the weight of the system， the constraint condition was the stress under various working conditions， on the premise of meeting the strength and stiffness， the mass of the system was reduced by 4.153%.

Keywords： Hydrogen system; Finite element method; Analysis; Structure

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-68-04

引言

氫燃料系統(tǒng)是中型卡車的動力總成，固定于車架上。目前國內(nèi)對于一般車型的設(shè)計及強(qiáng)度校核，還是依靠經(jīng)典的材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式[1]。傳統(tǒng)的分析設(shè)計方法，具有一定的局限性，使得動力總成的更新?lián)Q代的速度較慢。因此設(shè)計中不可避免地造成動力總成各部分強(qiáng)度分配不合理現(xiàn)象，使得整個設(shè)計成本較高，達(dá)不到優(yōu)化設(shè)計的目的[5]。隨著有限元技術(shù)的推廣及計算機(jī)軟硬件的發(fā)展，汽車行業(yè)已將CAE技術(shù)用于汽車整體設(shè)計與研究，為設(shè)計人員提供了可靠的計算工具。

1 氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)建模

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

此氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位于駕駛室后面，其結(jié)構(gòu)采用型鋼貫穿式的結(jié)構(gòu)，使得氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有應(yīng)力集中點(diǎn)，受力基本均勻分布。由于氫燃料系統(tǒng)內(nèi)部采用“2+1”氣瓶的布置方式，整車重心降低，提高了整車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 模型的簡化及建立流程

1.2.1 模型簡化

此氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多采用型鋼與槽鋼等，各梁之間主要通過焊接的方式固定。采用殼單元（SHELL），對幾何體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。采用化繁為簡、化曲為直的方法。

1.2.2 建模流程

（1）根據(jù)工程圖紙，利用三維軟件Solid works建模，導(dǎo)入到Hyper mesh分析軟件中。

（2）采用梁的截面形狀定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型鋼的參數(shù)，將氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)劃分為氣瓶支架、電堆支架、散熱器支架。下圖是輕量化分析流程：

1.3 材料選擇

根據(jù)物流車車身設(shè)計規(guī)范，氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)骨架要依據(jù)GB/T3273-1989，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料主要選擇Q235A與QSte700。材料屬性表如下表1。

2 氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)載荷及工況

2.1 載荷處理與邊界條件

有限元分析前處理的最后一步是施加載荷與邊界條件處理。計算分析的關(guān)鍵是合理的加載方式與和正確的邊界條件。

根據(jù)氫系統(tǒng)的載荷分布情況對其施加載荷，下表是氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)載荷以及施加方式。

Hyper works軟件顯示這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工劃分為121878個單元，100546個節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型如下圖2所示。

2.2 工況描述

2.2.1 水平彎曲工況

在中型卡車處于滿載工況下，校核卡車其前后左右各個輪胎同時著地時的整個車身骨架的剛度及強(qiáng)度，得到車身骨架的應(yīng)力變形圖。

約束處理：約束6個方向的自由度。

經(jīng)軟件分析計算，應(yīng)力云圖如圖3示。

由圖3以看出，該結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力為66.8Mpa，安全系數(shù)在水平彎曲工況下為2.6，強(qiáng)度滿足要求。

2.2.2 極限工況

處于扭轉(zhuǎn)工況下時，該框架受到扭矩的作用。當(dāng)卡車在緊急制動經(jīng)過顛簸路面時，其框架結(jié)構(gòu)會遭遇極限扭轉(zhuǎn)工況。

（1）緊急制動工況

在緊急制動情況下，根據(jù)行駛規(guī)定，卡車車身結(jié)構(gòu)除了受到滿載水平彎曲工況下的載荷外，還在卡車車身縱向方向施加最大制動加速度0.7g。約束方式與水平彎曲工況一致。

經(jīng)有限元分析計算，應(yīng)力云圖如圖4示。

由圖4知，在緊急制動工況下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力為108.4Mpa，最大應(yīng)力集中在氣瓶固定支架邊緣，安全系數(shù)為3.0，強(qiáng)度滿足要求。

（2）急轉(zhuǎn)彎工況

急轉(zhuǎn)彎工況下，考慮到慣性力對車身強(qiáng)度影響較大，因此在車身骨架上施加橫向0.4g的最大向心加速度。約束方式與水平彎曲工況相同。

經(jīng)有限元分析，應(yīng)力云圖如圖5所示。該車身在水平彎曲工況下的最大應(yīng)力為79Mpa，最大應(yīng)力集中在電堆支架的側(cè)面。安全系數(shù)為2.17，強(qiáng)度滿足要求。

綜上，整理結(jié)果如表3所示。

3 氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

3.1 氣瓶支架改進(jìn)方案

根據(jù)Hyper works的分析結(jié)果得知，氣瓶支架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在極限工況下的型鋼與槽鋼焊接的邊緣位置，大小為165Mpa，且大多在80Mpa以下。在極限工況下，許用應(yīng)力小于500Mpa認(rèn)為安全;在彎曲工況下，許用應(yīng)力小于250Mpa認(rèn)為安全，因此，將序號1的橫梁尺寸由50*30*2.5變?yōu)?0*30*1.5，因緊急制動工況下變形較大，故主橫梁尺寸不變。結(jié)果如圖6所示。

3.2 電堆支架改進(jìn)方案

電堆支架的整體應(yīng)力相對較小，變形也相對較小，且大部分集中在100Mpa以下，故將電堆支架的上部橫梁由50*50*2改為50*30*2.5。最大應(yīng)力出現(xiàn)在急轉(zhuǎn)彎工況的支架兩端，大小為130Mpa，應(yīng)力裕度比較大，故在電堆支架的豎梁由50*50*2改為50*30*2.5。如圖7所示。

3.3 輔助散熱器支架改進(jìn)方案

因輔助散熱器支架的應(yīng)力裕度較大，未出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，故將支架橫梁截面面積40*30*2.5改為40*30.1.5。如圖8所示。

4 改進(jìn)后對比分析

4.1 水平彎曲工況

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在水平彎曲工況下的最大應(yīng)力為120Mpa。結(jié)果如圖9所示。

4.2 極限工況

4.2.1 緊急制動工況

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在緊急制動工況下最大應(yīng)力為265Mpa。結(jié)果如圖10所示。

4.2.2 急轉(zhuǎn)彎工況

由圖可知該結(jié)構(gòu)在急轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力為180Mpa。結(jié)果如圖11所示。

從改進(jìn)后的前后對比來看，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在總體質(zhì)量減少了4.153%。整理結(jié)果如表4所示。

5 結(jié)語

經(jīng)過Hyper work軟件分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣瓶支架與電堆支架的改動較大，改進(jìn)后該氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量減少了4.153%。

（1）在對氫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)建模過程中，大部分結(jié)構(gòu)采用梁單元，為CAE分析提高了工作效率。

（2）建模過程使用多種變截面梁來模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，分析過程采用均布載荷的方式，提高了模型的準(zhǔn)確度。

（3）網(wǎng)格劃分時，采用先整體，后局部細(xì)化的方法，使整個結(jié)構(gòu)網(wǎng)格質(zhì)量提高，提高了計算精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘佩思，辛紀(jì)光，劉鳳景，等.基于Hypermesh的中型貨車車架有限元分析與優(yōu)化[J].煤礦機(jī)械，2009（04）：11-13.

[2] 王書賢，薛棟，陳世淋，etal.基于HyperMesh的某轎車白車身模態(tài)和剛度分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2019（7）.

[3] 吳凱佳，蘇小平.某工程車輛車架的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析與優(yōu)化[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2019（6）：688-694.

[4] 彭旺，張雅鑫.Simulation Analysis and Performance Optimization of Coach Frontal Collision%客車正面碰撞仿真分析及性能優(yōu)化[J].客車技術(shù)與研究，041（004）：9-11.

[5] 郭耀璘.某乘用車白車身模態(tài)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（17）.