卡车氢系统的框架结构有限元分析及优化

田建国 孟庆书 刘忠明 高顺来 翁福建

摘 要：文章针对某中型卡车的氢燃料系统结构进行了有限元分析，使用Hypermesh软件对氢系统的框架结构进行建模和分析。分析过程中目标函数为该系统的重量，约束条件为各工况下的应力，设计变量为系统结构的厚度，在满足强度与刚度的前提下，使该框架质量减轻了4.153%。

关键词：氢系统;有限元;分析;结构

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：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

氢燃料系统是中型卡车的动力总成，固定于车架上。目前国内對于一般车型的设计及强度校核，还是依靠经典的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式[1]。传统的分析设计方法，具有一定的局限性，使得动力总成的更新换代的速度较慢。因此设计中不可避免地造成动力总成各部分强度分配不合理现象，使得整个设计成本较高，达不到优化设计的目的[5]。随着有限元技术的推广及计算机软硬件的发展，汽车行业已将CAE技术用于汽车整体设计与研究，为设计人员提供了可靠的计算工具。

1 氢系统的框架结构建模

1.1 结构特点

此氢燃料系统结构位于驾驶室后面，其结构采用型钢贯穿式的结构，使得氢燃料系统结构没有应力集中点，受力基本均匀分布。由于氢燃料系统内部采用“2+1”气瓶的布置方式，整车重心降低，提高了整车运行的稳定性。

1.2 模型的简化及建立流程

1.2.1 模型简化

此氢燃料系统结构大多采用型钢与槽钢等，各梁之间主要通过焊接的方式固定。采用壳单元（SHELL），对几何体结构进行简化。采用化繁为简、化曲为直的方法。

1.2.2 建模流程

（1）根据工程图纸，利用三维软件Solid works建模，导入到Hyper mesh分析软件中。

（2）采用梁的截面形状定义系统结构型钢的参数，将氢系统的框架结构划分为气瓶支架、电堆支架、散热器支架。下图是轻量化分析流程：

1.3 材料选择

根据物流车车身设计规范，氢系统的框架结构骨架要依据GB/T3273-1989，因此系统结构材料主要选择Q235A与QSte700。材料属性表如下表1。

2 氢系统的框架结构载荷及工况

2.1 载荷处理与边界条件

有限元分析前处理的最后一步是施加载荷与边界条件处理。计算分析的关键是合理的加载方式与和正确的边界条件。

根据氢系统的载荷分布情况对其施加载荷，下表是氢系统的框架结构载荷以及施加方式。

Hyper works软件显示这个系统结构工划分为121878个单元，100546个节点。系统结构有限元模型如下图2所示。

2.2 工况描述

2.2.1 水平弯曲工况

在中型卡车处于满载工况下，校核卡车其前后左右各个轮胎同时着地时的整个车身骨架的刚度及强度，得到车身骨架的应力变形图。

约束处理：约束6个方向的自由度。

经软件分析计算，应力云图如图3示。

由图3以看出，该结构所受的最大应力为66.8Mpa，安全系数在水平弯曲工况下为2.6，强度满足要求。

2.2.2 极限工况

处于扭转工况下时，该框架受到扭矩的作用。当卡车在紧急制动经过颠簸路面时，其框架结构会遭遇极限扭转工况。

（1）紧急制动工况

在紧急制动情况下，根据行驶规定，卡车车身结构除了受到满载水平弯曲工况下的载荷外，还在卡车车身纵向方向施加最大制动加速度0.7g。约束方式与水平弯曲工况一致。

经有限元分析计算，应力云图如图4示。

由图4知，在紧急制动工况下系统结构所承受的最大应力为108.4Mpa，最大应力集中在气瓶固定支架边缘，安全系数为3.0，强度满足要求。

（2）急转弯工况

急转弯工况下，考虑到惯性力对车身强度影响较大，因此在车身骨架上施加横向0.4g的最大向心加速度。约束方式与水平弯曲工况相同。

经有限元分析，应力云图如图5所示。该车身在水平弯曲工况下的最大应力为79Mpa，最大应力集中在电堆支架的侧面。安全系数为2.17，强度满足要求。

综上，整理结果如表3所示。

3 氢系统的框架结构的优化方案

3.1 气瓶支架改进方案

根据Hyper works的分析结果得知，气瓶支架的最大应力出现在极限工况下的型钢与槽钢焊接的边缘位置，大小为165Mpa，且大多在80Mpa以下。在极限工况下，许用应力小于500Mpa认为安全;在弯曲工况下，许用应力小于250Mpa认为安全，因此，将序号1的横梁尺寸由50*30*2.5变为50*30*1.5，因紧急制动工况下变形较大，故主横梁尺寸不变。结果如图6所示。

3.2 电堆支架改进方案

电堆支架的整体应力相对较小，變形也相对较小，且大部分集中在100Mpa以下，故将电堆支架的上部横梁由50*50*2改为50*30*2.5。最大应力出现在急转弯工况的支架两端，大小为130Mpa，应力裕度比较大，故在电堆支架的竖梁由50*50*2改为50*30*2.5。如图7所示。

3.3 辅助散热器支架改进方案

因辅助散热器支架的应力裕度较大，未出现应力集中的情况，故将支架横梁截面面积40*30*2.5改为40*30.1.5。如图8所示。

4 改进后对比分析

4.1 水平弯曲工况

该系统结构在水平弯曲工况下的最大应力为120Mpa。结果如图9所示。

4.2 极限工况

4.2.1 紧急制动工况

该系统结构在紧急制动工况下最大应力为265Mpa。结果如图10所示。

4.2.2 急转弯工况

由图可知该结构在急转弯工况下的最大应力为180Mpa。结果如图11所示。

从改进后的前后对比来看，该系统结构在总体质量减少了4.153%。整理结果如表4所示。

5 结语

经过Hyper work软件分析，系统结构的气瓶支架与电堆支架的改动较大，改进后该氢系统的框架结构总体质量减少了4.153%。

（1）在对氢系统的框架结构建模过程中，大部分结构采用梁单元，为CAE分析提高了工作效率。

（2）建模过程使用多种变截面梁来模拟实际结构，分析过程采用均布载荷的方式，提高了模型的准确度。

（3）网格划分时，采用先整体，后局部细化的方法，使整个结构网格质量提高，提高了计算精度。

参考文献

[1] 钟佩思，辛纪光，刘凤景，等.基于Hypermesh的中型货车车架有限元分析与优化[J].煤矿机械，2009（04）：11-13.

[2] 王书贤，薛栋，陈世淋，etal.基于HyperMesh的某轿车白车身模态和刚度分析[J].重庆理工大学学报（自然科学），2019（7）.

[3] 吴凯佳，苏小平.某工程车辆车架的结构动力学分析与优化[J].南京工业大学学报：自然科学版，2019（6）：688-694.

[4] 彭旺，张雅鑫.Simulation Analysis and Performance Optimization of Coach Frontal Collision%客车正面碰撞仿真分析及性能优化[J].客车技术与研究，041（004）：9-11.

[5] 郭耀璘.某乘用车白车身模态分析[J].内燃机与配件，2019（17）.