12 m燃料電池客車(chē)全承載車(chē)身的有限元分析

刁國(guó)虎, 費(fèi)有霞

(揚(yáng)州亞星客車(chē)股份有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225116)

為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求,本公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了型號(hào)為JS6128GHFCEV的全承載車(chē)身燃料電池客車(chē)。與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比,此車(chē)型整車(chē)布置大不相同,傳統(tǒng)的燃油車(chē)骨架設(shè)計(jì)已不具備參考價(jià)值。為防止發(fā)生骨架開(kāi)裂的重大質(zhì)量問(wèn)題,在整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后、樣車(chē)生產(chǎn)前,運(yùn)用Patran+Nastran軟件對(duì)此車(chē)型骨架進(jìn)行強(qiáng)度分析,找出不滿(mǎn)足使用要求的部位,并進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)和驗(yàn)證。

1 有限元模型的建立

該車(chē)型為低入口城市客車(chē),一級(jí)踏步,采用前2后4氣囊懸架設(shè)計(jì),全承載車(chē)身,燃料電池的儲(chǔ)氫系統(tǒng)位于頂蓋,高壓件以及電機(jī)位于整車(chē)后端,主要參數(shù)為:車(chē)長(zhǎng)12 000 mm,車(chē)寬2 550 mm,車(chē)高3 120 mm;前懸2 650 mm,軸距6 150 mm,后懸3 200 mm;前輪距2 075 mm,后輪距1 860 mm;廠定最大質(zhì)量18 000 kg,前軸6 500 kg,后軸11 500 kg。

1.1 模型的簡(jiǎn)化

由于整車(chē)實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,為了提高計(jì)算的效率,在建立有限元模型前需對(duì)骨架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化[1]:①車(chē)窗玻璃使用質(zhì)量單元Mass均勻分布在安裝位置;②由于非承載件(如扶手、內(nèi)飾、儀表臺(tái)等)對(duì)強(qiáng)度和剛度影響較小,故忽略不計(jì);③站立的乘客按照站立區(qū)域面積平均分配,用質(zhì)量單元Mass模擬;④忽略所有半徑小于3 mm的圓角。

1.2 單元類(lèi)型的確定

建立客車(chē)骨架有限元模型的單元類(lèi)型一般有梁?jiǎn)卧?、板殼單元和混合單元[2]三種,本文采用混合單元來(lái)建立整車(chē)有限元模型。全承載車(chē)身骨架多為矩形鋼管桁架結(jié)構(gòu),采用板殼單元離散骨架結(jié)構(gòu)件;使用剛性單元RBE2模擬焊接和螺栓連接;各大總成件(如電機(jī)、冷卻模塊、頂置空調(diào)、氣瓶、座椅以及電池等)在相應(yīng)質(zhì)心位置簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量點(diǎn),用MPC單元在安裝點(diǎn)與整車(chē)模型連接;前后橋系統(tǒng)(包括輪胎)用梁?jiǎn)卧M,懸架部分(如穩(wěn)定桿、推力桿等)用梁?jiǎn)卧M,根據(jù)各個(gè)構(gòu)件連接的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,設(shè)定不同的MPC連接。車(chē)身骨架采用的鋼材為Q345[3],車(chē)架骨架采用的鋼材為Q700[4],鋼材的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 所用鋼材的參數(shù)

1.3 建立的模型

將簡(jiǎn)化好的三維模型轉(zhuǎn)成stp格式導(dǎo)入patran軟件中,確定主參考坐標(biāo)系,采用1.2節(jié)中的網(wǎng)格類(lèi)型,以網(wǎng)格尺寸為15～20 mm劃分單元,此模型最終有470 750個(gè)節(jié)點(diǎn),488 742個(gè)單元,其中包含389個(gè)0D單元,2 093個(gè)1D單元,485 438個(gè)2D單元,822個(gè)3D單元。然后賦予各單元材料屬性。最終得到如圖1所示的有限元模型。

圖1 整車(chē)骨架有限元模型

2 有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

客車(chē)實(shí)際使用中的載荷和工況很復(fù)雜[5],但車(chē)體主要典型工況分為垂直載荷、彎扭、轉(zhuǎn)彎和制動(dòng),本文對(duì)以上典型工況進(jìn)行分析。

2.1 垂直載荷工況及改進(jìn)

垂直載荷工況即模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下[6]在水平路面勻速行駛的情況。具體方法為:約束右前輪UZ向自由度,約束左前輪UY、UZ向自由度,約束右后輪UZ、UX向自由度[7],約束左后輪UX、UY、UZ向自由度,載荷為Z向重力加速度-2g。

1) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示,原結(jié)構(gòu)后橋后橫柵與右側(cè)圍連接部位應(yīng)力為279 MPa,如圖2所示;與左側(cè)圍連接部位應(yīng)力為253 MPa,如圖3所示。均超過(guò)了安全值220 MPa,不滿(mǎn)足要求。

圖2 改進(jìn)前右側(cè)圍后輪附近骨架應(yīng)力

圖3 改進(jìn)前左側(cè)圍后輪附近骨架應(yīng)力

2) 由于原結(jié)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿(mǎn)足使用要求,需進(jìn)行改進(jìn)。這里通過(guò)改變側(cè)圍立柱的規(guī)格來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu),將左右立柱的規(guī)格由60 mm×50 mm×2 mm改為60 mm×50 mm×2.5 mm。再次進(jìn)行計(jì)算,右側(cè)圍后輪后立柱與車(chē)架橫柵連接處最大應(yīng)力為213 MPa,小于安全值220 MPa,滿(mǎn)足使用要求,如圖4所示。左側(cè)圍后輪后立柱與車(chē)架橫柵連接處最大應(yīng)力為194 MPa,小于安全值220 MPa,滿(mǎn)足使用要求,如圖5所示。

圖4 改進(jìn)后右側(cè)圍后輪附近骨架應(yīng)力

圖5 改進(jìn)后左側(cè)圍后輪附近骨架應(yīng)力

2.2 彎扭工況

模擬客車(chē)滿(mǎn)載狀態(tài)下[8],在凹凸不平路面低速行駛時(shí)右前輪懸空的情況。約束左前輪UY、UZ向自由度[9],約束右后輪UZ、UX向自由度,約束左后輪UX、UY、UZ向自由度, 載荷為Z向重力加速度-g。該工況應(yīng)力結(jié)果顯示整車(chē)骨架滿(mǎn)足使用要求。

2.3 左轉(zhuǎn)彎工況

模擬客車(chē)在滿(mǎn)載狀態(tài)下的急速左轉(zhuǎn)彎情況[10]。約束條件與垂直載荷一樣,載荷為Y向加速度0.4g,Z向加速度-g。該工況應(yīng)力結(jié)果顯示整車(chē)骨架滿(mǎn)足使用要求。

2.4 制動(dòng)工況及改進(jìn)

1) 模擬客車(chē)在滿(mǎn)載狀態(tài)下的緊急制動(dòng)情況[11]。約束條件與垂直載荷一樣,載荷為X向加速度-0.8g,Z向加速度-g,該工況應(yīng)力結(jié)果顯示后橋下方推力桿支架與車(chē)架連接處最大應(yīng)力為540 MPa,超過(guò)了應(yīng)力安全值450 MPa[12],不滿(mǎn)足使用要求,如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前后橋下方推力桿支架與車(chē)架連接處應(yīng)力

2) 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案:在與推力桿支座連接的橫梁前方增加2個(gè)縱梁與前方橫梁相連(如圖7所示),再次進(jìn)行計(jì)算,得到的最大應(yīng)力為301 MPa(如圖8所示),遠(yuǎn)小于應(yīng)力安全值450 MPa,結(jié)果滿(mǎn)足使用要求。

圖7 后橋下方推力桿支架與車(chē)架連接處改進(jìn)

圖8 改進(jìn)后后橋下方推力桿支架與車(chē)架連接處應(yīng)力

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用成熟的有限元分析技術(shù),對(duì)我司新開(kāi)發(fā)的燃料電池客車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,得出車(chē)身骨架在典型工況下的應(yīng)力分布情況,找出不滿(mǎn)足使用要求的部位,提出了改進(jìn)方案并實(shí)施,提高了客車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。由于篇幅有限,本文未在振動(dòng)噪聲、側(cè)翻等方面進(jìn)行分析探討,可在以后的分析中做進(jìn)一步的研究。