应急电源车车厢结构有限元分析

邹文斌

关键词：应急电源车;有限元分析;优化设计

应急电源车作为一种专用车辆，主要用于电力、电信以及抢险救灾等特殊领域的急供电需求。由于其特有的应用场景决定了产品设计开发理念有别于其他车型。

与普通乘用车相比，专用车辆的特殊性在于“专”，其产品批量少、产品变化大，个性化程度高，数字化的设计手段与仿真技术虽有应用，但应用的范围比较局限，比如：武汉理工大学使用Ansys软件，利用拓扑、形状和尺寸优化等方法对大吨位自卸车的车厢和主副车架在多种工况下进行了轻量化研究。唐山亚特专用汽车有限公司对前顶自卸车车厢底板的多道横梁结构和4道横梁结构进行了静力分析和疲劳分析，证明了多道横梁结构的车厢底板设计更经济合理。南昌航空大学对矿用自卸车车斗结构强度进行了分析和讨论，提出改进方案，显著降低了车斗应力峰值。只是个别产品采用有限元方法进行试探性的模拟分析，更没有在业内形成大范围的推广应用，更没有建立相应的模拟平台进行共享分析。

所以在目前国内专用汽车产品开发工作中，很多企业还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计，对专用车结构的优化主要根据经验性结论进行局部的静力学改善，设计与分析未能真正做到并行。这一方面造成设计冗余导致材料浪费，另一方面对于设计方案的缺陷未能在设计环节给予优化改进从而造成多次往复的试验试错。这种开发方式在产品研发过程中极大地增加了研发周期和费用。

有限元仿真技术已经在乘用车领域得到非常成功的推广应用。实践证明，通过有限元仿真技术与专用车设计生产领域的结合，可为专用车结构零部件、组件总成甚至整车系统级别的设计方案提供涵盖静力学、动力学、振动疲劳等学科的全方位且准确的快速计算验证，进而获取其各种机械性能数据，为产品方案的优劣判断提供评价指标，同时可为后续优化设计提供数值化的理论参考，最终为企业实现缩短新产品研发周期、提高产品质量、降低研发成本的发展愿景。

1应急电源车车厢骨架的有限元分析方法

1.1有限元分析方法及软件

有限元分析方法通过将某个结构离散成有限个单元，从而拥有无限未知量的真实系统就变成有限个未知量的计算模型。该模型可通过求解偏微分方程边值问题近似解的方法来求解满足误差要求的稳定解。

伴随着计算机技术的高速发展，有限元仿真软件市场也呈现百家齐放、争鸣斗艳的发展态势。从20世纪70年代至今，全球领域已经出现近百种知名的有限元仿真软件，常见的软件有Altair HyperWorks、Abaqus、Lsdyna、Ansys、Nastran等。Altair HyperWorks是由Altair公司出品的一套世界领先、功能强大的CAE应用软件包，是最全面的开放式架构仿真平台。随着公司不断的并购扩张发展，其功能模块几乎涵盖了所有学科问题的计算能力。再者，该软件不断更新的图形用户界面也非常友好，面向各个层次的工程师均能易学易用。因此，Altair HyperWorks正慢慢领先于其他仿真软件，成为相关企业的首选仿真软件。

1.2有限元分析标准流程

针对应急电源车车厢结构的有限元分析工作可以参照有限元分析的标准流程进行，如图l所示，主要包括项目/产品分析、模型搭建、求解计算以及计算结果后处理四个模块。

a.通过研究应急电源车车厢的基本信息，包括三维模型状态、现存产品缺陷记录、产品作业工况和作业环境等输入信息，确定分析对象以及分析目的，定义分析类型选取合适的分析软件，最终形成针对应急电源车厢的某些结构问题的有限元分析方案。

b.根据CAD模型、BOM表等输入信息在Hypermesh中划分有限元网格，定义单元类型，赋予对应的材料属性并创建各个零件之间的连接关系。根据不同工况的要求定义约束以及合适的载荷形式，在载荷步中设定恰当的输出变量，最终形成可计算的数据文件。

c.根据不同的分析类型选择相应的求解器，其中静力学强刚度问题可选择Optistruct求解器，冲击动力学问题可选择Radioss求解器。通过求解试算可初步判断模型的准确性，可以查看计算过程数据的报错以及警告信息，或对比仿真计算结果与实际力学理论推导结果或者实验数据的吻合度等手段。

d.通过前面的验证对标工作基本可以确定准确的有限元仿真模型，并得到完整的计算结果文件。将结果文件导入Hyperview/Hypergraph等后处理软件，生成可读性强且直观的结果数据或者图片用于分析报告的撰写。

1.3车厢结构有限元模型的搭建

合理正确地搭建有限元模型是获取准确仿真结果的必要条件。从三维数模到有限元网格模型是一个类似园丁修枝剪叶的过程，只不过园丁的修剪准则是美观，而网格工程师的工作原则是使用尽可能少的网格单元以及尽可能简单的结构形态复刻产品结构的主要力学特征。因为网格模型的质量直接影响了计算分析的速度和准确度。搭建有限元模型有以下几个原则：

a.在保证计算精度满足计算目的的前提下，尽可能少地控制网格数量，比如关键问题区域可细化网格，其他区域可放大网格尺寸。

b.合理选择网格类型可减少积分点数量，从而减少数据的传输计算量加快模型的计算速度。

c.对于连接的建模可根据分析类型选择合适的建模方式。比如在車厢的刚度计算工况中可以对焊点焊缝进行合并相应节点，或者采用刚性连接相应节点等方法;而对于连接强度校核计算就需要采用更详细的模型来模拟，比如焊缝单元或者梁单元的使用就可以输出连接位置的应力应变计算结果。

以上建模准则几乎适用于所有车型结构力学问题的建模工作，而对于采用承载式车厢形式的应急电源车来说，针对车厢结构的力学性能分析问题，从产品的三维数模到有限元网格模型的转化过程还可以考虑以下几项简化措施：

a.建模过程可以省去非承载构件以及装饰件，比如车厢扇热用的百叶窗、车内装饰用塑料件、排风风机、照明灯等。

b.车内发电机组、电缆绞盘以及储能模块等设备可用等效简化模块代替或者考虑在相应的安装点施加对应的配重，而不进行详细建模。

c.由于车厢的管梁型材以及蒙皮面板均属于薄板结构，可抽取中面划分壳单元网格，并通过截面属性赋予厚度信息。

d.由于应急电源车厢主要采用金属框架结构焊接金属蒙皮方案，在建模中需要处理大量的点焊连接。為了提高建模效率，可以利用Hypermesh自带的Connector工具，快速识别焊点位置并焊接对手件。

e.应急电源车厢结构的部分构件具有镜像对称性，可以合理利用镜像工具实现快速复制;对于部分不规则的构件可以进行适当的简化，有助于获取更高质量的网格单元。

f.针对数模中数量较多且尺寸较小的几何特征可以通过Autocleanup自动清除，适当的几何清理可以自动化生成高质量的网格。

g.创建不同的材料卡片并附给对应的零件属于繁琐的重复性操作，可以通过编写tcl文档来创建宏命令自动读取csv文件中的材料信息，然后创建材料卡片并赋予对应的零件。

另外考虑到计算效率问题，网格尺寸对于强度问题不突出的零件可以划分50mm网格，而对于个别需要探究局部强度问题的零件可以划分10mm网格。网格划分完成后，整个应急电源车车厢共有316999个网格以及319818个节点。完成后有限元网格模型如图2所示。

1.4车厢结构的载荷工况定义

车厢结构的有限元分析可以参考乘用车的承载式白车身分析思路，即对整个车厢的分析可以将约束施加在车厢与底部车桥的连接位置。应急电源车在实际使用工况中所面临的载荷是错综复杂的，为了全面分析车厢结构的强刚度性能，为进一步优化提供数值化的参考依据，本文对其受力情况做了以下几种归纳：

a.约束模态，主要考察该车厢在约束情况下的固有频率以及对应的振型。通过该工况的计算可以避免与来自路面或者发动机的激励出现共振现象。约束条件是对车厢与车架的所有安装点进行XYZ约束。

b.满载弯曲工况主要是对货车在满载状态下，四轮着地时的结构强度和刚度进行校核，主要模拟汽车在良好路面下匀速行驶时的结构变形和应力分布。由于车速较高。故取动载系数为2.0。约束条件分别是右前轮XYZ约束，左前轮XZ约束，右后YZ约束，左后Z约束，释放其余自由度。

c.扭转工况主要是对货车在满载状态下，计算车架一轮骑障或者悬空时施加在车架上的扭矩作用，其中最严苛的状态是汽车低速通过崎岖不平路面时发生的。由于车速较低，故取动载系数为1.3。约束条件分别是左前轮XYZ约束，右前轮XZ约束，左后轮YZ约束，右后释放。

d.急速转弯工况主要考核车辆在紧急转弯情况下，离心力产生的侧向载荷对车身的影响。分别对右前轮进行XYZ约束，左前轮XZ约束，右后YZ约束，左后Z约束，释放其余自由度。由于车速较低。故取动载系数为1.2。车身Y向施加0.4g惯性载荷。

e.紧急制动工况主要考核车辆在紧急制动情况下，刹车惯性力对车身的影响。约束条件分别是左前轮XYZ约束，右前轮XYZ约束，左后轮YZ约束，右后轮YZ约束。由于车速较低，故取动载系数为1.5，车身Z向施加- 0.7g惯性载荷。

2有限元分析结果处理与分析

2.1约束模态工况

将模型导入求解器中，计算得到应急电源车厢的前四阶约束模态的固有频率如图3所示，其中第一阶模态频率为8.1Hz，为前蒙皮的局部振型：第二阶模态频率为9.0Hz，为整体纵向扭转振型;第三阶模态频率为10.5Hz，为前蒙皮的局部振型;第四阶模态频率为11.3Hz.为整体纵向扭转振型。

模态频率作为反映结构动态力学特性的重要指标，应急电源车车厢的固有频率应该高于车架以下的固有频率（0.8-1.3Hz）.同时满足高于发动机的怠速频率（23.3Hz）.以免发生结构间的共振现象。前四阶模态频率均满足以上判据，因此可以认定该车厢与车架以及发动机产生共振的可能性很小，说明该车厢的动态力学特性符合设计要求。

2.2满载弯曲工况

应急电源车在满载的情况下，车厢的最大变形量出现在车厢的底部，属于车厢顶部在自重的情况下考虑2倍的动载系数所导致的垂直位移，最大位移量为4.4mm，小于设计的参考值。虽然电源车内的发电机等设备主要安装于车厢底部，由于车厢底部直接与车架连接，因此车厢底部的变形量也很小，同时左右变形量差距很小，表明左右两侧配重也比较均衡。满载弯曲工况下变形云图如图4所示。

计算结果显示最大应力位于发动机安装点底部的加强板，最大应力为224.5MPa，小于对应材料Q235B的许用应力250MPa，（图5）。该位置由于考虑了加强板与车厢骨架的刚性焊接，存在应力集中的可能性，因此计算结果相比真实情况会偏大，故车厢整体结构满足强度要求。

2.3扭转工况

扭转工况下，整个车身包括车厢将会出现绕X轴扭转的现象，本案例重点讨论右后轮悬空的情况。因此右后部分车厢出现较大的下落幅度，最大位移量达到10.4mm，位于右后部的顶端。因此该车厢的总体扭转高度非常大，可以满足扭转刚度设计要求扭转工况下变形云图如图6所示。

如图7所示，该工况下最大应力出现在车厢结构框架上纵梁与横梁的连接位置，该位置出现最大应力符合车厢结构的受力特性。最大应力为211.7MPa，小于材料的许用应力250MPa.满足强度设计要求。但是由于该位置属于典型的扭转破坏点，建议增加加强板增强纵梁与横梁在端部的连接强度。

2.4急逑转弯工况

汽车在急速转弯工况下，由于有0.4g的侧向惯性载荷，车厢会出现侧向倾斜的现象。但是应急电源车的重心较低，因此侧向的位移量并不大，最大位移量为3.0mm，同样出现在车厢顶部。展示变形云图如图8所示。

该工况的最大应力出现在发电机安装加强板与车厢骨架的连接处，如图9所示，最大应力为213.4MPa，低于材料的许用应力。由于紧急情况下转弯属于非常极端的操作，实际情况会比该极端工况更安全，因此该工况的计算结果更大的意义是研究紧急转弯时的应力分布。计算结果满足强度设计要求。

2.5紧急制动工况

该工况下，由于制动减速度的作用，整车整体往前倾，如图10所示。发电机的配重在这个载荷情况下重新分配，更多的重量分配于前面的两个安装点，从而导致最大应力出现在发电机前面的安装点周围，如图11所示，最大应力为232.4 MPa，低于Q235B材料的许用应力。该应力值在安全范围之内，满足强度设计要求。

综合以上五个工况可以对该款应急电源车厢进行多方位的强刚度校核，借助于有限元仿真技术探究各个载荷情况下的变形特征以及最大应力点分布，一方面完成结构力学性能摸底，另一方面也为后续结构优化设计提供参考。五个工况的计算结果汇总见表1。

3结语

本文基于有限元分析方法，利用Altair分析软件对应急电源车车厢结构进行有限元分析方法研究。针对应急电源车车厢的典型结构提出从网格划分到模型搭建的基本思路，对应急电源车厢结构进行约束模态、满载弯曲、满载扭转、急速转弯以及急速制动等工况的有限元仿真分析。通过有限元仿真手段快速验证现有车厢结构方案满足主要力学性能设计要求，同时定量地描述现有方案在各个工况下的强刚度性能指标以及相应的薄弱点，为后续第二代车厢开发或者优化方案设计提供理论支撑。本研究的开展验证了有限元仿真技术在应急电源车设计生产领域产业化应用的可行性，可以预见不久的将来，有限元仿真技术将成为专用车设计生产环节中重要且不可或缺的一环。