鄒文斌

關(guān)鍵詞：應(yīng)急電源車;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

應(yīng)急電源車作為一種專用車輛，主要用于電力、電信以及搶險(xiǎn)救災(zāi)等特殊領(lǐng)域的急供電需求。由于其特有的應(yīng)用場景決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)理念有別于其他車型。

與普通乘用車相比，專用車輛的特殊性在于“?！保洚a(chǎn)品批量少、產(chǎn)品變化大，個(gè)性化程度高，數(shù)字化的設(shè)計(jì)手段與仿真技術(shù)雖有應(yīng)用，但應(yīng)用的范圍比較局限，比如：武漢理工大學(xué)使用Ansys軟件，利用拓?fù)?、形狀和尺寸?yōu)化等方法對(duì)大噸位自卸車的車廂和主副車架在多種工況下進(jìn)行了輕量化研究。唐山亞特專用汽車有限公司對(duì)前頂自卸車車廂底板的多道橫梁結(jié)構(gòu)和4道橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析和疲勞分析，證明了多道橫梁結(jié)構(gòu)的車廂底板設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)合理。南昌航空大學(xué)對(duì)礦用自卸車車斗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析和討論，提出改進(jìn)方案，顯著降低了車斗應(yīng)力峰值。只是個(gè)別產(chǎn)品采用有限元方法進(jìn)行試探性的模擬分析，更沒有在業(yè)內(nèi)形成大范圍的推廣應(yīng)用，更沒有建立相應(yīng)的模擬平臺(tái)進(jìn)行共享分析。

所以在目前國內(nèi)專用汽車產(chǎn)品開發(fā)工作中，很多企業(yè)還是依賴經(jīng)驗(yàn)和解剖進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行參照性設(shè)計(jì)，對(duì)專用車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論進(jìn)行局部的靜力學(xué)改善，設(shè)計(jì)與分析未能真正做到并行。這一方面造成設(shè)計(jì)冗余導(dǎo)致材料浪費(fèi)，另一方面對(duì)于設(shè)計(jì)方案的缺陷未能在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)給予優(yōu)化改進(jìn)從而造成多次往復(fù)的試驗(yàn)試錯(cuò)。這種開發(fā)方式在產(chǎn)品研發(fā)過程中極大地增加了研發(fā)周期和費(fèi)用。

有限元仿真技術(shù)已經(jīng)在乘用車領(lǐng)域得到非常成功的推廣應(yīng)用。實(shí)踐證明，通過有限元仿真技術(shù)與專用車設(shè)計(jì)生產(chǎn)領(lǐng)域的結(jié)合，可為專用車結(jié)構(gòu)零部件、組件總成甚至整車系統(tǒng)級(jí)別的設(shè)計(jì)方案提供涵蓋靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)疲勞等學(xué)科的全方位且準(zhǔn)確的快速計(jì)算驗(yàn)證，進(jìn)而獲取其各種機(jī)械性能數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品方案的優(yōu)劣判斷提供評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)可為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)值化的理論參考，最終為企業(yè)實(shí)現(xiàn)縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低研發(fā)成本的發(fā)展愿景。

1應(yīng)急電源車車廂骨架的有限元分析方法

1.1有限元分析方法及軟件

有限元分析方法通過將某個(gè)結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，從而擁有無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)就變成有限個(gè)未知量的計(jì)算模型。該模型可通過求解偏微分方程邊值問題近似解的方法來求解滿足誤差要求的穩(wěn)定解。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，有限元仿真軟件市場也呈現(xiàn)百家齊放、爭鳴斗艷的發(fā)展態(tài)勢(shì)。從20世紀(jì)70年代至今，全球領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)近百種知名的有限元仿真軟件，常見的軟件有Altair HyperWorks、Abaqus、Lsdyna、Ansys、Nastran等。Altair HyperWorks是由Altair公司出品的一套世界領(lǐng)先、功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包，是最全面的開放式架構(gòu)仿真平臺(tái)。隨著公司不斷的并購擴(kuò)張發(fā)展，其功能模塊幾乎涵蓋了所有學(xué)科問題的計(jì)算能力。再者，該軟件不斷更新的圖形用戶界面也非常友好，面向各個(gè)層次的工程師均能易學(xué)易用。因此，Altair HyperWorks正慢慢領(lǐng)先于其他仿真軟件，成為相關(guān)企業(yè)的首選仿真軟件。

1.2有限元分析標(biāo)準(zhǔn)流程

針對(duì)應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu)的有限元分析工作可以參照有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行，如圖l所示，主要包括項(xiàng)目/產(chǎn)品分析、模型搭建、求解計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果后處理四個(gè)模塊。

a.通過研究應(yīng)急電源車車廂的基本信息，包括三維模型狀態(tài)、現(xiàn)存產(chǎn)品缺陷記錄、產(chǎn)品作業(yè)工況和作業(yè)環(huán)境等輸入信息，確定分析對(duì)象以及分析目的，定義分析類型選取合適的分析軟件，最終形成針對(duì)應(yīng)急電源車廂的某些結(jié)構(gòu)問題的有限元分析方案。

b.根據(jù)CAD模型、BOM表等輸入信息在Hypermesh中劃分有限元網(wǎng)格，定義單元類型，賦予對(duì)應(yīng)的材料屬性并創(chuàng)建各個(gè)零件之間的連接關(guān)系。根據(jù)不同工況的要求定義約束以及合適的載荷形式，在載荷步中設(shè)定恰當(dāng)?shù)妮敵鲎兞浚罱K形成可計(jì)算的數(shù)據(jù)文件。

c.根據(jù)不同的分析類型選擇相應(yīng)的求解器，其中靜力學(xué)強(qiáng)剛度問題可選擇Optistruct求解器，沖擊動(dòng)力學(xué)問題可選擇Radioss求解器。通過求解試算可初步判斷模型的準(zhǔn)確性，可以查看計(jì)算過程數(shù)據(jù)的報(bào)錯(cuò)以及警告信息，或?qū)Ρ确抡嬗?jì)算結(jié)果與實(shí)際力學(xué)理論推導(dǎo)結(jié)果或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度等手段。

d.通過前面的驗(yàn)證對(duì)標(biāo)工作基本可以確定準(zhǔn)確的有限元仿真模型，并得到完整的計(jì)算結(jié)果文件。將結(jié)果文件導(dǎo)入Hyperview/Hypergraph等后處理軟件，生成可讀性強(qiáng)且直觀的結(jié)果數(shù)據(jù)或者圖片用于分析報(bào)告的撰寫。

1.3車廂結(jié)構(gòu)有限元模型的搭建

合理正確地搭建有限元模型是獲取準(zhǔn)確仿真結(jié)果的必要條件。從三維數(shù)模到有限元網(wǎng)格模型是一個(gè)類似園丁修枝剪葉的過程，只不過園丁的修剪準(zhǔn)則是美觀，而網(wǎng)格工程師的工作原則是使用盡可能少的網(wǎng)格單元以及盡可能簡單的結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)刻產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特征。因?yàn)榫W(wǎng)格模型的質(zhì)量直接影響了計(jì)算分析的速度和準(zhǔn)確度。搭建有限元模型有以下幾個(gè)原則：

a.在保證計(jì)算精度滿足計(jì)算目的的前提下，盡可能少地控制網(wǎng)格數(shù)量，比如關(guān)鍵問題區(qū)域可細(xì)化網(wǎng)格，其他區(qū)域可放大網(wǎng)格尺寸。

b.合理選擇網(wǎng)格類型可減少積分點(diǎn)數(shù)量，從而減少數(shù)據(jù)的傳輸計(jì)算量加快模型的計(jì)算速度。

c.對(duì)于連接的建?？筛鶕?jù)分析類型選擇合適的建模方式。比如在車廂的剛度計(jì)算工況中可以對(duì)焊點(diǎn)焊縫進(jìn)行合并相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，或者采用剛性連接相應(yīng)節(jié)點(diǎn)等方法;而對(duì)于連接強(qiáng)度校核計(jì)算就需要采用更詳細(xì)的模型來模擬，比如焊縫單元或者梁單元的使用就可以輸出連接位置的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

以上建模準(zhǔn)則幾乎適用于所有車型結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的建模工作，而對(duì)于采用承載式車廂形式的應(yīng)急電源車來說，針對(duì)車廂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析問題，從產(chǎn)品的三維數(shù)模到有限元網(wǎng)格模型的轉(zhuǎn)化過程還可以考慮以下幾項(xiàng)簡化措施：

a.建模過程可以省去非承載構(gòu)件以及裝飾件，比如車廂扇熱用的百葉窗、車內(nèi)裝飾用塑料件、排風(fēng)風(fēng)機(jī)、照明燈等。

b.車內(nèi)發(fā)電機(jī)組、電纜絞盤以及儲(chǔ)能模塊等設(shè)備可用等效簡化模塊代替或者考慮在相應(yīng)的安裝點(diǎn)施加對(duì)應(yīng)的配重，而不進(jìn)行詳細(xì)建模。

c.由于車廂的管梁型材以及蒙皮面板均屬于薄板結(jié)構(gòu)，可抽取中面劃分殼單元網(wǎng)格，并通過截面屬性賦予厚度信息。

d.由于應(yīng)急電源車廂主要采用金屬框架結(jié)構(gòu)焊接金屬蒙皮方案，在建模中需要處理大量的點(diǎn)焊連接。為了提高建模效率，可以利用Hypermesh自帶的Connector工具，快速識(shí)別焊點(diǎn)位置并焊接對(duì)手件。

e.應(yīng)急電源車廂結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件具有鏡像對(duì)稱性，可以合理利用鏡像工具實(shí)現(xiàn)快速復(fù)制;對(duì)于部分不規(guī)則的構(gòu)件可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，有助于獲取更高質(zhì)量的網(wǎng)格單元。

f.針對(duì)數(shù)模中數(shù)量較多且尺寸較小的幾何特征可以通過Autocleanup自動(dòng)清除，適當(dāng)?shù)膸缀吻謇砜梢宰詣?dòng)化生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。

g.創(chuàng)建不同的材料卡片并附給對(duì)應(yīng)的零件屬于繁瑣的重復(fù)性操作，可以通過編寫tcl文檔來創(chuàng)建宏命令自動(dòng)讀取csv文件中的材料信息，然后創(chuàng)建材料卡片并賦予對(duì)應(yīng)的零件。

另外考慮到計(jì)算效率問題，網(wǎng)格尺寸對(duì)于強(qiáng)度問題不突出的零件可以劃分50mm網(wǎng)格，而對(duì)于個(gè)別需要探究局部強(qiáng)度問題的零件可以劃分10mm網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后，整個(gè)應(yīng)急電源車車廂共有316999個(gè)網(wǎng)格以及319818個(gè)節(jié)點(diǎn)。完成后有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.4車廂結(jié)構(gòu)的載荷工況定義

車廂結(jié)構(gòu)的有限元分析可以參考乘用車的承載式白車身分析思路，即對(duì)整個(gè)車廂的分析可以將約束施加在車廂與底部車橋的連接位置。應(yīng)急電源車在實(shí)際使用工況中所面臨的載荷是錯(cuò)綜復(fù)雜的，為了全面分析車廂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剛度性能，為進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)值化的參考依據(jù)，本文對(duì)其受力情況做了以下幾種歸納：

a.約束模態(tài)，主要考察該車廂在約束情況下的固有頻率以及對(duì)應(yīng)的振型。通過該工況的計(jì)算可以避免與來自路面或者發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。約束條件是對(duì)車廂與車架的所有安裝點(diǎn)進(jìn)行XYZ約束。

b.滿載彎曲工況主要是對(duì)貨車在滿載狀態(tài)下，四輪著地時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，主要模擬汽車在良好路面下勻速行駛時(shí)的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布。由于車速較高。故取動(dòng)載系數(shù)為2.0。約束條件分別是右前輪XYZ約束，左前輪XZ約束，右后YZ約束，左后Z約束，釋放其余自由度。

c.扭轉(zhuǎn)工況主要是對(duì)貨車在滿載狀態(tài)下，計(jì)算車架一輪騎障或者懸空時(shí)施加在車架上的扭矩作用，其中最嚴(yán)苛的狀態(tài)是汽車低速通過崎嶇不平路面時(shí)發(fā)生的。由于車速較低，故取動(dòng)載系數(shù)為1.3。約束條件分別是左前輪XYZ約束，右前輪XZ約束，左后輪YZ約束，右后釋放。

d.急速轉(zhuǎn)彎工況主要考核車輛在緊急轉(zhuǎn)彎情況下，離心力產(chǎn)生的側(cè)向載荷對(duì)車身的影響。分別對(duì)右前輪進(jìn)行XYZ約束，左前輪XZ約束，右后YZ約束，左后Z約束，釋放其余自由度。由于車速較低。故取動(dòng)載系數(shù)為1.2。車身Y向施加0.4g慣性載荷。

e.緊急制動(dòng)工況主要考核車輛在緊急制動(dòng)情況下，剎車慣性力對(duì)車身的影響。約束條件分別是左前輪XYZ約束，右前輪XYZ約束，左后輪YZ約束，右后輪YZ約束。由于車速較低，故取動(dòng)載系數(shù)為1.5，車身Z向施加- 0.7g慣性載荷。

2有限元分析結(jié)果處理與分析

2.1約束模態(tài)工況

將模型導(dǎo)入求解器中，計(jì)算得到應(yīng)急電源車廂的前四階約束模態(tài)的固有頻率如圖3所示，其中第一階模態(tài)頻率為8.1Hz，為前蒙皮的局部振型：第二階模態(tài)頻率為9.0Hz，為整體縱向扭轉(zhuǎn)振型;第三階模態(tài)頻率為10.5Hz，為前蒙皮的局部振型;第四階模態(tài)頻率為11.3Hz.為整體縱向扭轉(zhuǎn)振型。

模態(tài)頻率作為反映結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的重要指標(biāo)，應(yīng)急電源車車廂的固有頻率應(yīng)該高于車架以下的固有頻率（0.8-1.3Hz）.同時(shí)滿足高于發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率（23.3Hz）.以免發(fā)生結(jié)構(gòu)間的共振現(xiàn)象。前四階模態(tài)頻率均滿足以上判據(jù)，因此可以認(rèn)定該車廂與車架以及發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振的可能性很小，說明該車廂的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性符合設(shè)計(jì)要求。

2.2滿載彎曲工況

應(yīng)急電源車在滿載的情況下，車廂的最大變形量出現(xiàn)在車廂的底部，屬于車廂頂部在自重的情況下考慮2倍的動(dòng)載系數(shù)所導(dǎo)致的垂直位移，最大位移量為4.4mm，小于設(shè)計(jì)的參考值。雖然電源車內(nèi)的發(fā)電機(jī)等設(shè)備主要安裝于車廂底部，由于車廂底部直接與車架連接，因此車廂底部的變形量也很小，同時(shí)左右變形量差距很小，表明左右兩側(cè)配重也比較均衡。滿載彎曲工況下變形云圖如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示最大應(yīng)力位于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝點(diǎn)底部的加強(qiáng)板，最大應(yīng)力為224.5MPa，小于對(duì)應(yīng)材料Q235B的許用應(yīng)力250MPa，（圖5）。該位置由于考慮了加強(qiáng)板與車廂骨架的剛性焊接，存在應(yīng)力集中的可能性，因此計(jì)算結(jié)果相比真實(shí)情況會(huì)偏大，故車廂整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

2.3扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況下，整個(gè)車身包括車廂將會(huì)出現(xiàn)繞X軸扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，本案例重點(diǎn)討論右后輪懸空的情況。因此右后部分車廂出現(xiàn)較大的下落幅度，最大位移量達(dá)到10.4mm，位于右后部的頂端。因此該車廂的總體扭轉(zhuǎn)高度非常大，可以滿足扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)要求扭轉(zhuǎn)工況下變形云圖如圖6所示。

如圖7所示，該工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在車廂結(jié)構(gòu)框架上縱梁與橫梁的連接位置，該位置出現(xiàn)最大應(yīng)力符合車廂結(jié)構(gòu)的受力特性。最大應(yīng)力為211.7MPa，小于材料的許用應(yīng)力250MPa.滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。但是由于該位置屬于典型的扭轉(zhuǎn)破壞點(diǎn)，建議增加加強(qiáng)板增強(qiáng)縱梁與橫梁在端部的連接強(qiáng)度。

2.4急逑轉(zhuǎn)彎工況

汽車在急速轉(zhuǎn)彎工況下，由于有0.4g的側(cè)向慣性載荷，車廂會(huì)出現(xiàn)側(cè)向傾斜的現(xiàn)象。但是應(yīng)急電源車的重心較低，因此側(cè)向的位移量并不大，最大位移量為3.0mm，同樣出現(xiàn)在車廂頂部。展示變形云圖如圖8所示。

該工況的最大應(yīng)力出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)安裝加強(qiáng)板與車廂骨架的連接處，如圖9所示，最大應(yīng)力為213.4MPa，低于材料的許用應(yīng)力。由于緊急情況下轉(zhuǎn)彎屬于非常極端的操作，實(shí)際情況會(huì)比該極端工況更安全，因此該工況的計(jì)算結(jié)果更大的意義是研究緊急轉(zhuǎn)彎時(shí)的應(yīng)力分布。計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.5緊急制動(dòng)工況

該工況下，由于制動(dòng)減速度的作用，整車整體往前傾，如圖10所示。發(fā)電機(jī)的配重在這個(gè)載荷情況下重新分配，更多的重量分配于前面的兩個(gè)安裝點(diǎn)，從而導(dǎo)致最大應(yīng)力出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)前面的安裝點(diǎn)周圍，如圖11所示，最大應(yīng)力為232.4 MPa，低于Q235B材料的許用應(yīng)力。該應(yīng)力值在安全范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

綜合以上五個(gè)工況可以對(duì)該款應(yīng)急電源車廂進(jìn)行多方位的強(qiáng)剛度校核，借助于有限元仿真技術(shù)探究各個(gè)載荷情況下的變形特征以及最大應(yīng)力點(diǎn)分布，一方面完成結(jié)構(gòu)力學(xué)性能摸底，另一方面也為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。五個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果匯總見表1。

3結(jié)語

本文基于有限元分析方法，利用Altair分析軟件對(duì)應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析方法研究。針對(duì)應(yīng)急電源車車廂的典型結(jié)構(gòu)提出從網(wǎng)格劃分到模型搭建的基本思路，對(duì)應(yīng)急電源車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束模態(tài)、滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、急速轉(zhuǎn)彎以及急速制動(dòng)等工況的有限元仿真分析。通過有限元仿真手段快速驗(yàn)證現(xiàn)有車廂結(jié)構(gòu)方案滿足主要力學(xué)性能設(shè)計(jì)要求，同時(shí)定量地描述現(xiàn)有方案在各個(gè)工況下的強(qiáng)剛度性能指標(biāo)以及相應(yīng)的薄弱點(diǎn)，為后續(xù)第二代車廂開發(fā)或者優(yōu)化方案設(shè)計(jì)提供理論支撐。本研究的開展驗(yàn)證了有限元仿真技術(shù)在應(yīng)急電源車設(shè)計(jì)生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可行性，可以預(yù)見不久的將來，有限元仿真技術(shù)將成為專用車設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要且不可或缺的一環(huán)。