卡車氫系統的框架結構有限元分析及優化

引言 

氫燃料系統是中型卡車的動力總成，固定于車架上。目前國內對于一般車型的設計及強度校核，還是依靠經典的材料力學、彈性力學、結構力學的經驗公式。傳統的分析設計方法，具有一定的局限性，使得動力總成的更新換代的速度較慢。因此設計中不可避免地造成動力總成各部分強度分配不合理現象，使得整個設計成本較高，達不到優化設計的目的。隨著有限元技術的推廣及計算機軟硬件的發展，汽車行業已將CAE技術用于汽車整體設計與研究，為設計人員提供了可靠的計算工具。

1 氫系統的框架結構建模 

1.1 結構特點

此氫燃料系統結構位于駕駛室后面，其結構采用型鋼貫穿式的結構，使得氫燃料系統結構沒有應力集中點，受力基本均勻分布。由于氫燃料系統內部采用“2+1”氣瓶的布置方式，整車重心降低，提高了整車運行的穩定性。

1.2模型的簡化及建立流程

1.2.1 模型簡化

此氫燃料系統結構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)，對幾何體結構進行簡化。采用化繁為簡、化曲為直的方法。

1.2.2 建模流程

1）根據工程圖紙，利用三維軟件Solid works建模，導入到Hyper mesh分析軟件中。

2）采用梁的截面形狀定義系統結構型鋼的參數，將氫系統的框架結構劃分為氣瓶支架、電堆支架、散熱器支架。下圖是輕量化分析流程：

圖1 CAE分析流程圖

1.3 材料選擇

根據物流車車身設計規范，氫系統的框架結構骨架要依據GB/T3273-1989，因此系統結構材料主要選擇Q235A與QSte700。材料屬性表如下表1。

表1 氫系統的框架結構骨架材料選擇參考表

2 氫系統的框架結構載荷及工況 

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。計算分析的關鍵是合理的加載方式與和正確的邊界條件。根據氫系統的載荷分布情況對其施加載荷，下表是氫系統的框架結構載荷以及施加方式。

表2 氫系統的框架結構載荷及施加方式

Hyper works軟件顯示這個系統結構工劃分為121878個單元，100546個節點。系統結構有限元模型如下圖2所示。

圖2 氫系統的框架結構有限元模型

2.2 工況描述

（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度，得到車身骨架的應力變形圖。

約束處理：約束6個方向的自由度。

經軟件分析計算，應力云圖如圖3示。 

 

圖3水平工況下的應力云圖

由圖3以看出，該結構所受的最大應力為66.8MPa，安全系數在水平彎曲工況下為2.6，強度滿足要求。

（2）極限工況

處于扭轉工況下時，該框架受到扭矩的作用。當卡車在緊急制動經過顛簸路面時，其框架結構會遭遇極限扭轉工況。

A.緊急制動工況

在緊急制動情況下，根據行駛規定，卡車車身結構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。

經有限元分析計算，應力云圖如圖4示。

圖4急制動工況下的應力云圖

由圖4知，在緊急制動工況下系統結構所承受的最大應力為108.4MPa，最大應力集中在氣瓶固定支架邊緣，安全系數為3.0，強度滿足要求。

B.急轉彎工況

急轉彎工況下，考慮到慣性力對車身強度影響較大，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。

經有限元分析，應力云圖如圖5所示。該車身在水平彎曲工況下的最大應力為79MPa，最大應力集中在電堆支架的側面。安全系數為2.17，強度滿足要求。 

圖5 急轉彎工況下的應力云圖

綜上，整理結果如表3所示。

表3 原系統結構3種工況各總成最大應力及變形情況

3 氫系統的框架結構的優化方案 

3.1 氣瓶支架改進方案

根據Hyper works的分析結果得知，氣瓶支架的最大應力出現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，許用應力小于500MPa認為安全；在彎曲工況下，許用應力小于250MPa認為安全，因此，將序號1的橫梁尺寸由50*30*2.5變為50*30*1.5，因緊急制動工況下變形較大，故主橫梁尺寸不變，結果如圖6所示。

圖6 氣瓶支架改進方案

3.2 電堆支架改進方案

電堆支架的整體應力相對較小，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。最大應力出現在急轉彎工況的支架兩端，大小為130MPa，應力裕度比較大，故在電堆支架的豎梁由50*50*2改為50*30*2.5。如圖7所示。

 圖7 電堆支架改進方案

3.3 輔助散熱器支架改進方案

因輔助散熱器支架的應力裕度較大，未出現應力集中的情況，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。 

圖8輔助散熱器支架改進方案

4 改進后對比分析

4.1 水平彎曲工況

該系統結構在水平彎曲工況下的最大應力為120MPa。結果如圖9所示。

 

圖9 改進后的水平彎曲工況下的應力云圖

4.2 極限工況

（1）緊急制動工況

該系統結構在緊急制動工況下最大應力為265MPa。結果如圖10所示。 

圖10 改進后的緊急制動工況下的應力云圖

（2）急轉彎工況

由圖可知該結構在急轉彎工況下的最大應力為180MPa。結果如圖11所示。

圖11 改進后的急轉彎工況下的應力云圖

從改進后的前后對比來看，該系統結構在總體質量減少了4.153%。整理結果如表4所示。

表4 改進車型3種工況下各總成最大應力及變形情況

5 結語

經過Hyper work軟件分析，系統結構的氣瓶支架與電堆支架的改動較大，改進后該氫系統的框架結構總體質量減少了4.153%。

（1）在對氫系統的框架結構建模過程中，大部分結構采用梁單元，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際結構，分析過程采用均布載荷的方式，提高了模型的準確度。

（3）網格劃分時，采用先整體，后局部細化的方法，使整個結構網格質量提高，提高了計算精度。