多種工況下的氫燃料電池客車靜力學研究

袁曉紅,韓 寧

(1.寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750000) (2.中北大學能源動力工程學院，山西 太原 030051)

基于能源枯竭危機和尾氣排放造成的環(huán)境污染日趨嚴峻等問題，新能源汽車越來越受到各國政府、汽車廠商以及相關研究機構的重視和青睞[1]。氫氣作為一種新型清潔能源，發(fā)展前景光明，目前多應用于商用車領域。氫燃料電池客車以氫氣為燃料，與氧氣在電堆中發(fā)生質子交換反應產生化學能，并轉化為電能，整個化學反應過程產物只有水，是真正的零污染能源。因此，在能源短缺與環(huán)境污染的雙重壓力下，氫燃料電池汽車將是未來運輸行業(yè)的最佳選擇[2]。從整車結構來看，氫燃料電池客車增加了車載儲氣瓶、空調、燃料電池電堆及其輔助系統(tǒng)等結構，研究表明，隨著整車質量的增加，車身結構強度受力與剛度位移變形都會增加，同時車身固有頻率和振型也將隨之改變，因此對氫燃料電池客車進行有限元分析是十分必要的[3]。

本文利用有限元軟件HyperMesh對氫燃料電池客車骨架進行了4種不同工況下的靜力學分析，并根據(jù)分析結果提出了優(yōu)化方案，可為其他相關研究提供依據(jù)。

1 氫燃料電池客車有限元模型的建立

1.1 有限元模型網(wǎng)格的劃分

本文氫燃料電池客車有限元模型結構件采用shell單元模擬，網(wǎng)格基本尺寸為10 mm，焊縫采用Rbe2及節(jié)點耦合兩種方式模擬，非結構件及質量采用mass點單元模擬，車身骨架的單元數(shù)為1 062 034，節(jié)點數(shù)為1 036 563。

1.2 客車材料的添加

為確保安全性，選取高強度鋼Q345和Q700作為車身骨架材料，其中頂蓋骨架使用的是Q700型鋼材，前后圍、左右側圍以及底架選取的是Q345型鋼材，具體的材料參數(shù)見1。

表1 車身骨架材料參數(shù)

1.3 有限元模型載荷的添加

氫燃料電池客車的載荷包括：

1)車身骨架自重。

2)均布質量載荷?？照{、氣瓶組、行李艙，使用Rbe3單元將載荷連接到空調與頂蓋骨架接觸面的各個節(jié)點上。

3)集中質量載荷。燃料電池系統(tǒng)、電機、蓄電池、空氣壓縮機等總成以及乘客與座椅的質量，利用Rbe2單元將質量單元與各個總成安裝位置的節(jié)點相連接。

圖1 客車車身骨架有限元模型

2 車身強度、剛度有限元分析

2.1 邊界條件的設定

本文選擇表2中的4種行駛工況,其中彎曲工況、制動工況、轉彎工況為典型工況，扭轉工況為極限工況。對轉彎工況豎直方向施加1g(g為重力加速度)的動載荷系數(shù)，其他工況豎直方向施加2g的動載荷系數(shù)；對于制動工況在X負方向施加一個0.8g的加速度；對于轉彎工況在側向施加一個0.4g的加速度，釋放所有的轉動自由度[4]。4種行駛工況下的各車輪的約束情況見表2。

表2 4種行駛工況下各車輪的約束條件

2.2 強度分析結果

基于4種行駛工況，用HyperMesh中的Optistruct模塊[5]對模型進行有限元強度計算，查看其應力分布情況，計算結果如圖2～圖5所示。

圖2 彎曲工況應力分布

圖3 制動工況應力分布

圖4 轉彎工況應力分布

圖5 扭轉工況應力分布

由圖可知，3種典型工況下，最大應力為174.90 MPa，低于材料屈服強度，滿足要求；極限工況下，最大應力為177.82 MPa，低于材料屈服強度，滿足要求[6]。各工況最大應力統(tǒng)計見表3。

表3 典型工況強度最大應力統(tǒng)計表 單位：MPa

2.3 剛度分析結果

用HyperMesh中的Optistruct模塊對模型進行有限元剛度計算[7]，計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 彎曲、制動工況最大位移

圖7 轉彎、扭轉工況最大位移

各工況剛度最大位移統(tǒng)計見表4。

表4 4種工況剛度最大位移統(tǒng)計表 單位：mm

由表可知，3種典型工況下，最大位移為8.04 mm，滿足車身剛度設計要求；極限工況下，最大位移為6.96 mm，滿足車身剛度設計要求。

2.4 分析結果說明

上文應用有限元法對氫燃料電池客車骨架進行了強度和剛度分析，說明了車身骨架設計的正確性。通過4種工況的對比分析發(fā)現(xiàn)，客車頂蓋骨架部分使用Q700型鋼材，有限元結果表明，最大應力遠低于對應材料的屈服極限[8]，考慮到客車減重可以增加續(xù)航里程，提高車輛的使用壽命，減少頂蓋骨架的質量可以降低整車的重心，提升客車的行駛穩(wěn)定性，保證車輛行駛的安全性，因此建議設計人員在頂蓋部分使用Q345型鋼材。

3 氫燃料電池客車的模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析理論

研究表明，模態(tài)分析和整車質量有著密切關系，隨著整車質量的增加，車身固有頻率會降低，振動幅度將減小?？蛙嚬羌芸梢钥醋魇且粋€彈性振動系統(tǒng)，當外界某種頻率和車身骨架自身頻率相互接近，會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，從而導致客車某些結構產生很大的應力[9]，描述系統(tǒng)運動的微分方程為：

(1)

式中：M為車身質量;C為阻尼系數(shù);K為彈性剛度;x(t)為車身垂直位移;f(t)為車身振動頻率。

本文有限元分析采用多自由度無阻尼自由振動系統(tǒng)，因此上述微分運動方程可寫成：

(2)

3.2 模態(tài)分析結果

基于模態(tài)分析理論，使用HyperWorks的Radioss求解器進行車架自由態(tài)分析[10]，具體結果見圖8～圖12。

圖8 1階、2階模態(tài)分析結果

圖9 3階、4階模態(tài)分析結果

圖10 5階、6階模態(tài)分析結果

圖11 7階、8階模態(tài)分析結果

圖12 9階、10階模態(tài)分析結果

3.3 模態(tài)分析結果說明

查閱資料可知，一般車輛行駛路面，激勵頻率小于3 Hz，車身和懸架兩者共振頻率在2.0～3.6 Hz，車身電機的激振頻率在33 Hz以上[11]，分析結果表明，前10階模態(tài)頻率分布在13～38 Hz，根據(jù)強度和剛度結果的優(yōu)化方案，減重將使得整車固有頻率上升，無法有效避開電機的激振頻率[12]，因此建議選取頂蓋中部以及后圍變形量大的區(qū)域進行優(yōu)化，通過改變關鍵梁的截面尺寸以及壁厚來降低車身骨架的振動頻率，盡量避開車身固有頻率和外部激勵頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，同時可以降低噪聲，提高乘坐舒適性。

表5 模態(tài)分析結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4 結束語

本文應用有限元法分析氫燃料電池客車車身結構，得到4種工況下的強度應力分布圖和剛度位移分布圖，結果表明客車骨架的強度和剛度都滿足要求。同時對客車骨架進行無阻尼自由振動計算分析，獲得前10階振動頻率及模態(tài)振型，結果表明，客車車身結構在固有頻率方面存在優(yōu)化空間，因此提出在減重的基礎上合理調整車身模態(tài)參數(shù)，保證客車行駛的安全性、乘坐的舒適性。本文通過有限元法研究了氫燃料電池客車車身骨架的各項基本性能，為后續(xù)其他方面的分析與優(yōu)化打下了堅實的基礎。