周夢(mèng)婷，趙俊哲

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)，氫燃料電池汽車逐漸成為全球汽車工業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。但是燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、電壓變化范圍較大，不支持能量的雙向流動(dòng)，因此需要匹配燃料電池用的大功率變換器（fuel cell DC/DC convertor，以下簡(jiǎn)稱FDC）實(shí)現(xiàn)燃料電池與動(dòng)力電池的工作電壓匹配，僅從結(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō)，F(xiàn)DC體積與重量相對(duì)比傳統(tǒng)降壓型小功率DC/DC要大得多，而乘用車前艙空間相對(duì)狹小，通常會(huì)將FDC布置于底盤位置，作為底部的高壓大功率零部件，需要重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)以及碰撞對(duì)人員與整車產(chǎn)生的影響，如何在保證其離地間隙的同時(shí)，確保支架的可靠性是一大技術(shù)難點(diǎn)。

本文基于某乘用車車型設(shè)計(jì)了一種燃料電池大功率變換器支架。綜合考慮零部件與高壓線束以及管路重量分布情況以及離地間隙要求，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種片式結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)支架，并結(jié)合HyperWorks軟件進(jìn)行了支架的靜強(qiáng)度與疲勞仿真分析，通過(guò)仿真結(jié)果，針對(duì)該支架具有失效風(fēng)險(xiǎn)的部位從結(jié)構(gòu)、厚度、材料等方面進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)整車與臺(tái)架耐久可靠性試驗(yàn)，進(jìn)行了充分驗(yàn)證，避免了由于設(shè)計(jì)、制造與實(shí)際應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)某些未考慮的原因發(fā)生斷裂、變形以及疲勞失效，本文提出了一種固定于底盤可承載大體積高壓零部件的高可靠性支架設(shè)計(jì)方案。

1 FDC支架模型建立

1.1 FDC支架3D數(shù)模設(shè)計(jì)

本文綜合考慮車型底盤空間與所搭載的FDC，加熱器，冷卻水泵等高壓零部件布置情況，以及所搭載的高壓線束與管路分布，設(shè)計(jì)了一種片式結(jié)構(gòu)FDC支架，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FDC支架3D數(shù)模

1.2 FDC支架有限元模型建立

假設(shè)支架材質(zhì)均勻且各項(xiàng)同性，且支架皆為理想焊接，忽略不影響支架強(qiáng)度分析的細(xì)小螺孔等[1]，將焊接件構(gòu)造成一個(gè)整體件后對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖2所示。其中計(jì)算中使用材料為HC340LAD+ZF，其材料密度為7.8e+3 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度340 MPa～420 MPa。

圖2 FDC支架有限元模型

2 FDC支架剛度分析

2.1 靜強(qiáng)度分析

本文通過(guò)靜強(qiáng)度分析支架在靜態(tài)載荷時(shí)的能力與可靠性，可以通過(guò)靜強(qiáng)度結(jié)果確定結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的危險(xiǎn)點(diǎn)，其應(yīng)力大小反應(yīng)了該點(diǎn)應(yīng)力的集中程度[2]。

限定邊界條件：約束支架安裝點(diǎn)6向自由度。

載荷工況：載荷工況按照Z(yǔ)向-6 g，Z向+4 g，轉(zhuǎn)彎工況，制動(dòng)工況輸入。

各工況應(yīng)力結(jié)果如表1所示，應(yīng)力云圖如圖3所示。

表1 各工況應(yīng)力結(jié)果

圖3 FDC原支架應(yīng)力云圖

由圖可知，三個(gè)小支架支撐位置附近受到大功率FDC的重力影響，應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力值為549.9 MPa大于材料屈服強(qiáng)度，存在失效風(fēng)險(xiǎn)，但是由于整車空間有限，沒(méi)有空間增加橫梁結(jié)構(gòu)，片式結(jié)構(gòu)本身存在較大的斷裂與變形失效的隱患，可從受力分布情況強(qiáng)化支撐位置附近的結(jié)構(gòu)。

2.2 優(yōu)化分析

為降低或避免應(yīng)力集中，使支架的應(yīng)力分布盡可能趨于均勻，在保證強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)各個(gè)位置疲勞壽命相近，本文通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行優(yōu)化：

（1）在條件允許的情況下盡量增加加強(qiáng)筋以及貫穿筋；

（2）增加定位凸臺(tái)與翻邊；

（3）增加固定支架，采用點(diǎn)焊與二保焊相結(jié)合的方式。

其中失效部位原方案與優(yōu)化方案對(duì)比如下所示：

圖4 小支架1方案對(duì)比圖

圖5 小支架2方案對(duì)比圖

圖6 小支架3方案對(duì)比圖

圖7 FDC新支架應(yīng)力云圖

表2 優(yōu)化前后方案各工況應(yīng)力情況對(duì)比

通過(guò)靜強(qiáng)度分析結(jié)果可知，優(yōu)化后FDC支架在垂直-Z向6 g工況下最大應(yīng)力為290.2 MPa，低于材料HC340LA+ZF的屈服強(qiáng)度，且具有安全余量，因此FDC支架結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 FDC支架疲勞分析

由于汽車在行駛過(guò)程中零部件會(huì)承受交變載荷，因此疲勞失效式實(shí)際應(yīng)用最常見(jiàn)的失效之一[2-3]，而疲勞仿真可以預(yù)測(cè)在疲勞載荷作用下的薄弱位置，提供支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，本文采用n Code Design Life疲勞分析軟件計(jì)算疲勞壽命，該軟件可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合修正[4]，由于此車型為現(xiàn)有平臺(tái)，可將耐久試驗(yàn)車輛實(shí)際路譜采集數(shù)據(jù)作為此支架疲勞仿真載荷數(shù)據(jù)輸入。

對(duì)上述優(yōu)化后的新方案進(jìn)行疲勞分析，仿真結(jié)果如下圖所示，由圖可知，支架最小壽命為78.2，焊縫最小壽命為117.285，大于目標(biāo)值1，滿足設(shè)計(jì)要求，此優(yōu)化方案可行。

圖8 FDC支架疲勞壽命結(jié)果云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

FDC支架樣件經(jīng)過(guò)整車綜合耐久、高強(qiáng)度耐久、四立柱試驗(yàn)、24通道試驗(yàn)等實(shí)車耐久試驗(yàn)以及燃料電池系統(tǒng)臺(tái)架耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)檢查上述方案下FDC支架各處情況，如下圖所示，未出現(xiàn)斷裂變形等現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 實(shí)車耐久試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種燃料電池大功率變換器用的FDC支架。通過(guò)靜強(qiáng)度與疲勞壽命仿真分析，針對(duì)失效部位從結(jié)構(gòu)、材料、厚度等方面進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)增加加強(qiáng)筋以及貫穿筋，增加翻邊與凸臺(tái)等措施進(jìn)行強(qiáng)化，并通過(guò)整車與臺(tái)架耐久可靠性試驗(yàn)，進(jìn)行了充分驗(yàn)證，提高了支架的耐久可靠性，設(shè)計(jì)出一種可用于有限空間下可承重的片式結(jié)構(gòu)支架。