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        基于有限元仿真技術(shù)的可分體落地電源車車廂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

        2025-01-22 00:00:00鄒文斌周憲增黃建祥陳國鋒楊永泰黃裕
        專用汽車 2025年1期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        摘要:探討了分體式電源車在現(xiàn)代社會(huì)中的重要性,強(qiáng)調(diào)其在為現(xiàn)代工業(yè)提供電力后勤保障中的關(guān)鍵作用。隨著專用車行業(yè)的發(fā)展,電源車的設(shè)計(jì)正朝著高效、環(huán)保和智能化方向發(fā)展,其中可分體設(shè)計(jì)成為提升靈活性和維護(hù)便利性的創(chuàng)新方案。基于有限元仿真技術(shù),分析了可分體落地電源車車廂的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,旨在為電源車的設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料選擇提供科學(xué)依據(jù)。通過有限元仿真技術(shù)評(píng)估了其在不同工況下的力學(xué)表現(xiàn),提出了優(yōu)化建議,推動(dòng)電源車技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用。研究結(jié)果將為電源車的創(chuàng)新發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

        關(guān)鍵詞:有限元仿真;電源車;車廂結(jié)構(gòu);力學(xué)性能;結(jié)構(gòu)分析

        中圖分類號(hào):U463收稿日期:2024-11-20

        DOI:10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.016

        1前言

        1.1研究背景

        電源車在現(xiàn)代工業(yè)和民用領(lǐng)域中具有重要作用,尤其是在為應(yīng)急救援等關(guān)鍵時(shí)刻提供電力支持方面。隨著需求增長,電源車配備了高效發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng),以確保設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。為順應(yīng)綠色環(huán)保和節(jié)能減排趨勢(shì),電源車逐步采用新能源技術(shù),如電池和氫燃料電池,降低傳統(tǒng)能源依賴并減少溫室氣體排放。

        近年來,為了適應(yīng)軍事和應(yīng)急救援等特殊場合,電源車采用了可分體設(shè)計(jì)(圖1),使各功能模塊可以靈活拆分和組合,提高運(yùn)輸和操作的靈活性[2]。實(shí)際使用中,這種設(shè)計(jì)在車廂的結(jié)構(gòu)性能上帶來了新的挑戰(zhàn),包括復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)性能和穩(wěn)定性問題,因此需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化[3]。

        基于有限元仿真分析,本研究將評(píng)估可分體車廂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度表現(xiàn),提出優(yōu)化方案,以確保其在高強(qiáng)度工況下的可靠性,并提升電源車的使用壽命和維護(hù)效率[4]。

        1.2研究目的

        隨著工業(yè)的快速發(fā)展,電源車作為后勤保障設(shè)備,其設(shè)計(jì)和性能直接影響服務(wù)效率。傳統(tǒng)電源車一體化設(shè)計(jì)雖然滿足基本需求,但在靈活性、可維護(hù)性和功能多樣性方面存在一定不足。可分體設(shè)計(jì)作為創(chuàng)新方案,提升了電源車的適應(yīng)性、延長了使用壽命,并降低了運(yùn)營和維護(hù)成本[5]。

        本文主要探討基于有限元仿真技術(shù)的可分體落地電源車車廂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析。通過有限元分析,全面了解車廂在不同工況下的力學(xué)表現(xiàn),為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。研究還將為材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),推動(dòng)電源車技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

        本文的研究目標(biāo)包括:建立有限元模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,評(píng)估車廂在不同工況下的表現(xiàn),提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議,并推動(dòng)可分體電源車設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐應(yīng)用。最終,研究將為電源車的設(shè)計(jì)優(yōu)化、技術(shù)進(jìn)步和市場拓展提供理論支持與解決方案。

        2有限元仿真方法

        2.1有限元模型的建立

        有限元模型的建立是有限元分析(FEA)過程中至關(guān)重要的一步[6]。在本研究中,電源車車廂的有限元模型是通過以下步驟構(gòu)建:

        a.幾何建模?;谇笆龅能噹麕缀文P停肅AD軟件(如SolidWorks或CATIA)創(chuàng)建車廂的三維模型。模型中包括金屬骨架(Q235)和蒙皮材料(DC01)的細(xì)節(jié),以確保模型的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

        b.網(wǎng)格劃分。對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格類型(如四面體或六面體)對(duì)模型進(jìn)行劃分,確保網(wǎng)格的尺寸和密度能夠反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。一般來說,關(guān)鍵區(qū)域(如連接部位、邊緣等)需要更細(xì)的網(wǎng)格,以提高計(jì)算精度。軟件通常提供自動(dòng)化網(wǎng)格劃分功能,但在特定情況下,研究人員可以手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格大小以滿足特定需求。

        c.材料屬性定義。根據(jù)所選用的材料(Q235和DC01),在有限元軟件中定義其材料屬性,包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比和密度等。這些材料參數(shù)對(duì)于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要,確保能準(zhǔn)確模擬材料在不同加載條件下的表現(xiàn)[8]。

        d.模型驗(yàn)證。在進(jìn)行有限元分析之前,需對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,包括檢查幾何形狀、材料屬性和網(wǎng)格劃分是否符合設(shè)計(jì)要求。通過與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論分析進(jìn)行對(duì)比,確保模型的可靠性。

        2.2邊界條件與加載方式

        邊界條件和加載方式的設(shè)置直接影響有限元仿真的結(jié)果,必須根據(jù)電源車車廂的主要力學(xué)性能進(jìn)行合理配置,包括約束模態(tài)頻率、滿載彎曲(彎曲剛度)和扭轉(zhuǎn)剛度[9]。

        a.邊界條件。為了準(zhǔn)確評(píng)估電源車車廂的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)強(qiáng)度,邊界條件需合理設(shè)置。在本研究中,車廂底部與車架接觸的部分設(shè)置為固定邊界,以模擬車廂在使用過程中受到的約束。此外,車廂側(cè)面的連接部位可以設(shè)置為鉸接邊界,以便于分析其在不同加載條件下的變形和振動(dòng)響應(yīng)。

        b.約束模態(tài)頻率。為評(píng)估車廂的動(dòng)態(tài)特性,施加適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分布,以計(jì)算其固有頻率。通過對(duì)車廂施加單位質(zhì)量或模擬其實(shí)際質(zhì)量分布,進(jìn)行模態(tài)分析,獲取其模態(tài)頻率和振型,從而評(píng)估其抗振性能。

        c.滿載彎曲。在評(píng)估車廂的彎曲剛度時(shí),將考慮施加均勻分布的載荷,模擬車廂在滿載情況下的受力狀態(tài)。通過施加的均勻載荷來分析車廂在靜態(tài)條件下的應(yīng)力和變形,以確定其彎曲剛度和承載能力。

        d.扭轉(zhuǎn)剛度。在分析車廂的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí),可以施加扭轉(zhuǎn)載荷或剪切載荷,以模擬車廂在行駛過程中可能遇到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。通過施加扭轉(zhuǎn)力矩,分析車廂的扭轉(zhuǎn)變形和相應(yīng)的應(yīng)力分布,以評(píng)估其扭轉(zhuǎn)剛度。

        通過合理設(shè)置邊界條件和加載方式,可以確保有限元分析更接近實(shí)際工況,從而得到可靠的仿真結(jié)果,為電源車車廂的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力支持。在完成模型建立及加載條件設(shè)置后,將進(jìn)行求解和結(jié)果分析,以評(píng)估車廂的力學(xué)性能。

        2.3仿真分析過程

        2.3.1有限元模型搭建

        本文的分析對(duì)象是應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu),車廂由蒙皮、上蓋、底板以及內(nèi)部的橫縱梁結(jié)構(gòu)組合而成,在車廂底部電機(jī)與電纜所處位置配備了加強(qiáng)板,通過箍筋將與車輪相連的縱梁和車廂底部的梁進(jìn)行連接。除此之外,車廂的幾何模型內(nèi)部包括配電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等非承載結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行簡化,簡化后的幾何模型如圖2所示。

        本文闡述了應(yīng)急電源車車廂有限元模型的建立流程,通過HyperMesh軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行前處理操作,包括網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)及其分布,以及工況設(shè)定三個(gè)方面。

        a.網(wǎng)格劃分。

        ①思路與依據(jù)。通過剖析車廂的結(jié)構(gòu)特征,采用四邊形和三角形混合的殼網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,尺寸設(shè)置為10mm。

        ②網(wǎng)格劃分結(jié)果?;谲噹膸缀文P瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分,該模型中包含板材和管材,均屬于薄壁結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力問題[10]。具體方法是將模型的各個(gè)零件抽取中面,在中面上劃分殼網(wǎng)格。最終得到計(jì)算模型擁有節(jié)點(diǎn)數(shù)量519718個(gè),殼網(wǎng)格數(shù)量522308個(gè)。

        ③裝配關(guān)系。依據(jù)實(shí)際車廂結(jié)構(gòu)中各部件的連接狀況,在計(jì)算模型中采用Spot焊接連接,使計(jì)算結(jié)果更趨近于實(shí)際情況。

        ④網(wǎng)格質(zhì)量。對(duì)1d單元進(jìn)行檢查,無自由點(diǎn)、自由邊、重復(fù)單元與節(jié)點(diǎn)連接性問題;對(duì)2d單元進(jìn)行檢查,網(wǎng)格單元最小尺寸為2.97mm,無重復(fù)單元與連接性問題,可進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

        b.材料參數(shù)及分布。

        對(duì)車廂外表面的蒙皮、上蓋、底板賦予材料DC01鋼,對(duì)車廂內(nèi)部的梁結(jié)構(gòu)賦予材料Q235鋼材料,兩種材料屬性[11-12]如表1所示。

        基于表1中DC01鋼與Q235鋼的材料參數(shù),分別得到兩種材料對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線,能夠更準(zhǔn)確地反映材料內(nèi)部的真實(shí)受力和變形情況,如圖4所示。

        按照真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線,賦予車廂結(jié)構(gòu)材料參數(shù),經(jīng)有限元分析計(jì)算后,所得結(jié)果表明應(yīng)急電源車車廂的裝配總重為1.36t。

        c.工況設(shè)定。

        本節(jié)對(duì)電源車車廂本體的三種工況進(jìn)行有限元仿真,包括自重下垂的約束模態(tài)分析、靜力學(xué)滿載彎曲剛度分析與靜力學(xué)扭轉(zhuǎn)剛度分析。針對(duì)以上三種工況,相關(guān)信息等效計(jì)算工況如下:

        ①約束模態(tài)工況設(shè)定。在約束模態(tài)工況下,基于車廂與底部車架的連接情況,將鎖具的連接處等效為固定約束。即在有限元模型中創(chuàng)建相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在6個(gè)自由度方向的約束(X、Y、Z方向平動(dòng)自由度即123自由度,X、Y、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度即456自由度),考慮車廂自身質(zhì)量作為主要載荷,分析得到車廂結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。約束信息如圖5所示。

        ②滿載彎曲工況設(shè)定。在滿載彎曲工況下,按照?qǐng)D6所示的坐標(biāo)系,對(duì)車廂底部快速連接鎖具進(jìn)行如下約束設(shè)置:右下鎖具約束123自由度,左下、右上鎖具分別約束23自由度以及12自由度,左上鎖具約束2自由度,以模擬實(shí)際彎曲工況[13]。隨后,在車廂底板施加均布載荷,將1t的重量均勻分布于底板的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處,以此模擬車廂的滿載狀態(tài)[13]。同時(shí),去除較為薄弱的車廂上蓋總成,目的是確保主要分析對(duì)象為車廂本體結(jié)構(gòu)。

        ③扭轉(zhuǎn)剛度工況設(shè)定。在扭轉(zhuǎn)工況下,按照?qǐng)D7所示坐標(biāo)系,對(duì)車廂底部快速連接鎖具進(jìn)行如下約束設(shè)置:右下鎖具約束123自由度,左下、右上鎖具分別約束23自由度以及12自由度,左上鎖具不約束,在鎖具中心施加5kN載荷,以模擬實(shí)際扭轉(zhuǎn)工況[14]。在仿真過程中,不考慮廂體自重,以模擬理想狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)工況。隨后,在得到轉(zhuǎn)矩與扭轉(zhuǎn)角度之間的比值關(guān)系后,對(duì)車廂結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行定量分析。

        2.3.2有限元分析結(jié)果

        下面對(duì)應(yīng)急電源車車廂的有限元分析結(jié)果進(jìn)行匯總,以明確該車廂在約束模態(tài)、彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度等方面的性能表現(xiàn),進(jìn)而為車廂結(jié)構(gòu)是否滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

        a.約束模態(tài)分析結(jié)果。

        通過HyperView后處理軟件查看求解結(jié)果,得到了應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu)在前四階模態(tài)下的固有頻率及振型情況,如表2所示。

        應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu)前四階模態(tài)分析的位移云圖,如圖8所示。

        其中,一階模態(tài)分析顯示,車廂上蓋在8.6Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形;二階模態(tài)分析顯示,車廂上蓋在13.5Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形;三階模態(tài)分析顯示,車廂上蓋在15.5Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形;四階模態(tài)分析顯示,車廂上蓋在18.5Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形。

        b.滿載彎曲分析結(jié)果。

        通過HyperView后處理軟件對(duì)應(yīng)急電源車車廂在彎曲工況下的分析結(jié)果進(jìn)行查看,滿載彎曲的位移云圖如圖9所示。

        分析結(jié)果表明,車廂的底板以及僅約束Y方向自由度的邊緣梁在該工況下承受主要位移。其中,最大位移值為2.41mm,該最大位移出現(xiàn)在底板靠近中心的位置。

        應(yīng)急電源車車廂在滿載彎曲工況下的應(yīng)力云圖如圖10所示。分析結(jié)果表明,應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布于車廂梁結(jié)構(gòu)的焊接點(diǎn)處以及車廂底板位置。其中,最大應(yīng)力集中點(diǎn)位于車廂頂部梁結(jié)構(gòu),該位置的米塞斯應(yīng)力值為78MPa。

        c.扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果。

        通過HyperView后處理軟件獲取了應(yīng)急電源車車廂在扭轉(zhuǎn)工況下的分析結(jié)果,其位移云圖如圖11所示。結(jié)果表明,將滿載彎曲工況下約束Y方向自由度的鎖具釋放約束,在該鎖具上施加外載荷F=5kN,變形位置主要集中于施加載荷的梁單元,最大變形量為1.55mm。

        廂體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度根據(jù)下式計(jì)算:

        [Kt=T/θ]""""""""""""""""(1)

        式中,[Kt]為扭轉(zhuǎn)剛度;[T]為扭矩;[θ]為扭轉(zhuǎn)角度。

        根據(jù)廂體寬度方向跨度為1822mm,集中載荷點(diǎn)位移量為1.31mm,求得:

        廂體寬度方向的扭矩[T=Fl=5000×1822×10-3N·m=9110N·m];扭轉(zhuǎn)角度[θ=arctan1.311822×180π=2.36°];代入式(1)得,廂體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度[Kt=T/θ=3859.67N·m/(°)]。

        2.3.3仿真分析結(jié)論

        通過對(duì)應(yīng)急電源車進(jìn)行約束模態(tài)、滿載彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分析,對(duì)車廂結(jié)構(gòu)的性能有了較為全面的了解,具體結(jié)論如下:

        a.模態(tài)分析結(jié)論。

        通過對(duì)應(yīng)急電源車進(jìn)行模態(tài)分析,得到了其前四階固有頻率和振型,其固有頻率分布于8.5~18.6Hz區(qū)間,處于合理范疇,有效避開了實(shí)際運(yùn)行時(shí)外界激勵(lì)可能涉及的頻率范圍,降低了共振現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),從而確保車輛行駛的平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)的可靠性。

        b.滿載彎曲分析結(jié)論。

        在滿載彎曲工況下,對(duì)應(yīng)急電源車進(jìn)行有限元分析得到了車身結(jié)構(gòu)的變形情況與應(yīng)力分布情況。車廂變形主要位于車身底部及其相連車架部分,最大變形量發(fā)生在底板靠近中心的位置,其數(shù)值為2.41mm;應(yīng)力集中區(qū)域主要位于車廂內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)的焊接處,最大應(yīng)力為78MPa。綜合滿載彎曲結(jié)果得出應(yīng)急電源車在滿載工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

        c.扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)論。

        通過對(duì)應(yīng)急電源車的扭轉(zhuǎn)剛度分析,計(jì)算得到其扭轉(zhuǎn)剛度為3859.67N·m/(°)。該數(shù)值反映了廂體結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)力作用時(shí)抵抗變形的能力[15-16],為后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

        3結(jié)語

        本研究對(duì)可分體落地電源車車廂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元仿真分析,旨在優(yōu)化其設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,采用可分體設(shè)計(jì)的電源車在靈活性、可維護(hù)性和功能多樣性方面具有顯著優(yōu)勢(shì),尤其在復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)更為出色。通過有限元分析,評(píng)估了車廂在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形,表明其設(shè)計(jì)滿足運(yùn)輸和使用中的強(qiáng)度和剛度要求,確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行?;诜抡娼Y(jié)果,提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,包括材料選擇和連接方式等,以提升性能、降低故障率并延長使用壽命。

        研究驗(yàn)證了可分體設(shè)計(jì)的可行性,提升了電源車的運(yùn)輸靈活性,并簡化了對(duì)車輛的維護(hù)和升級(jí)。盡管取得了一定成果,但仍存在局限,如模型與實(shí)際應(yīng)用可能存在差異,且本研究主要集中在靜態(tài)分析,缺乏動(dòng)態(tài)特性和長期疲勞性能的探討。未來研究應(yīng)拓展至動(dòng)態(tài)性能分析、疲勞與可靠性研究,并結(jié)合智能化與自動(dòng)化技術(shù),提高操作效率和安全性。此外,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將進(jìn)一步支持仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上,本研究為可分體電源車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論支持,并推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用擴(kuò)展。

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        作者簡介:

        鄒文斌,男,1991年生,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)檩p量化技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化推廣。

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