基于有限元仿真技術(shù)的可分體落地電源車車廂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

摘要：探討了分體式電源車在現(xiàn)代社會(huì)中的重要性，強(qiáng)調(diào)其在為現(xiàn)代工業(yè)提供電力后勤保障中的關(guān)鍵作用。隨著專用車行業(yè)的發(fā)展，電源車的設(shè)計(jì)正朝著高效、環(huán)保和智能化方向發(fā)展，其中可分體設(shè)計(jì)成為提升靈活性和維護(hù)便利性的創(chuàng)新方案?；谟邢拊抡婕夹g(shù)，分析了可分體落地電源車車廂的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，旨在為電源車的設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料選擇提供科學(xué)依據(jù)。通過有限元仿真技術(shù)評(píng)估了其在不同工況下的力學(xué)表現(xiàn)，提出了優(yōu)化建議，推動(dòng)電源車技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用。研究結(jié)果將為電源車的創(chuàng)新發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：有限元仿真；電源車；車廂結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：U463收稿日期：2024-11-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.016

1前言

1.1研究背景

電源車在現(xiàn)代工業(yè)和民用領(lǐng)域中具有重要作用，尤其是在為應(yīng)急救援等關(guān)鍵時(shí)刻提供電力支持方面。隨著需求增長(zhǎng)，電源車配備了高效發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)，以確保設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行［1］。為順應(yīng)綠色環(huán)保和節(jié)能減排趨勢(shì)，電源車逐步采用新能源技術(shù)，如電池和氫燃料電池，降低傳統(tǒng)能源依賴并減少溫室氣體排放。

近年來，為了適應(yīng)軍事和應(yīng)急救援等特殊場(chǎng)合，電源車采用了可分體設(shè)計(jì)（圖1），使各功能模塊可以靈活拆分和組合，提高運(yùn)輸和操作的靈活性［2］。實(shí)際使用中，這種設(shè)計(jì)在車廂的結(jié)構(gòu)性能上帶來了新的挑戰(zhàn)，包括復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)性能和穩(wěn)定性問題，因此需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化［3］。

基于有限元仿真分析，本研究將評(píng)估可分體車廂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度表現(xiàn)，提出優(yōu)化方案，以確保其在高強(qiáng)度工況下的可靠性，并提升電源車的使用壽命和維護(hù)效率［4］。

1.2研究目的

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，電源車作為后勤保障設(shè)備，其設(shè)計(jì)和性能直接影響服務(wù)效率。傳統(tǒng)電源車一體化設(shè)計(jì)雖然滿足基本需求，但在靈活性、可維護(hù)性和功能多樣性方面存在一定不足?？煞煮w設(shè)計(jì)作為創(chuàng)新方案，提升了電源車的適應(yīng)性、延長(zhǎng)了使用壽命，并降低了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本［5］。

本文主要探討基于有限元仿真技術(shù)的可分體落地電源車車廂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析。通過有限元分析，全面了解車廂在不同工況下的力學(xué)表現(xiàn)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。研究還將為材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，推動(dòng)電源車技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

本文的研究目標(biāo)包括：建立有限元模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，評(píng)估車廂在不同工況下的表現(xiàn)，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，并推動(dòng)可分體電源車設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐應(yīng)用。最終，研究將為電源車的設(shè)計(jì)優(yōu)化、技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)拓展提供理論支持與解決方案。

2有限元仿真方法

2.1有限元模型的建立

有限元模型的建立是有限元分析（FEA）過程中至關(guān)重要的一步［6］。在本研究中，電源車車廂的有限元模型是通過以下步驟構(gòu)建：

a.幾何建模?；谇笆龅能噹麕缀文Ｐ?，利用CAD軟件（如SolidWorks或CATIA）創(chuàng)建車廂的三維模型。模型中包括金屬骨架（Q235）和蒙皮材料（DC01）的細(xì)節(jié)，以確保模型的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

b.網(wǎng)格劃分。對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7］。采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格類型（如四面體或六面體）對(duì)模型進(jìn)行劃分，確保網(wǎng)格的尺寸和密度能夠反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。一般來說，關(guān)鍵區(qū)域（如連接部位、邊緣等）需要更細(xì)的網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。軟件通常提供自動(dòng)化網(wǎng)格劃分功能，但在特定情況下，研究人員可以手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格大小以滿足特定需求。

c.材料屬性定義。根據(jù)所選用的材料（Q235和DC01），在有限元軟件中定義其材料屬性，包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比和密度等。這些材料參數(shù)對(duì)于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，確保能準(zhǔn)確模擬材料在不同加載條件下的表現(xiàn)［8］。

d.模型驗(yàn)證。在進(jìn)行有限元分析之前，需對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，包括檢查幾何形狀、材料屬性和網(wǎng)格劃分是否符合設(shè)計(jì)要求。通過與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論分析進(jìn)行對(duì)比，確保模型的可靠性。

2.2邊界條件與加載方式

邊界條件和加載方式的設(shè)置直接影響有限元仿真的結(jié)果，必須根據(jù)電源車車廂的主要力學(xué)性能進(jìn)行合理配置，包括約束模態(tài)頻率、滿載彎曲（彎曲剛度）和扭轉(zhuǎn)剛度［9］。

a.邊界條件。為了準(zhǔn)確評(píng)估電源車車廂的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)強(qiáng)度，邊界條件需合理設(shè)置。在本研究中，車廂底部與車架接觸的部分設(shè)置為固定邊界，以模擬車廂在使用過程中受到的約束。此外，車廂側(cè)面的連接部位可以設(shè)置為鉸接邊界，以便于分析其在不同加載條件下的變形和振動(dòng)響應(yīng)。

b.約束模態(tài)頻率。為評(píng)估車廂的動(dòng)態(tài)特性，施加適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分布，以計(jì)算其固有頻率。通過對(duì)車廂施加單位質(zhì)量或模擬其實(shí)際質(zhì)量分布，進(jìn)行模態(tài)分析，獲取其模態(tài)頻率和振型，從而評(píng)估其抗振性能。

c.滿載彎曲。在評(píng)估車廂的彎曲剛度時(shí)，將考慮施加均勻分布的載荷，模擬車廂在滿載情況下的受力狀態(tài)。通過施加的均勻載荷來分析車廂在靜態(tài)條件下的應(yīng)力和變形，以確定其彎曲剛度和承載能力。

d.扭轉(zhuǎn)剛度。在分析車廂的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，可以施加扭轉(zhuǎn)載荷或剪切載荷，以模擬車廂在行駛過程中可能遇到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。通過施加扭轉(zhuǎn)力矩，分析車廂的扭轉(zhuǎn)變形和相應(yīng)的應(yīng)力分布，以評(píng)估其扭轉(zhuǎn)剛度。

通過合理設(shè)置邊界條件和加載方式，可以確保有限元分析更接近實(shí)際工況，從而得到可靠的仿真結(jié)果，為電源車車廂的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力支持。在完成模型建立及加載條件設(shè)置后，將進(jìn)行求解和結(jié)果分析，以評(píng)估車廂的力學(xué)性能。

2.3仿真分析過程

2.3.1有限元模型搭建

本文的分析對(duì)象是應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu)，車廂由蒙皮、上蓋、底板以及內(nèi)部的橫縱梁結(jié)構(gòu)組合而成，在車廂底部電機(jī)與電纜所處位置配備了加強(qiáng)板，通過箍筋將與車輪相連的縱梁和車廂底部的梁進(jìn)行連接。除此之外，車廂的幾何模型內(nèi)部包括配電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等非承載結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖2所示。

本文闡述了應(yīng)急電源車車廂有限元模型的建立流程，通過HyperMesh軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行前處理操作，包括網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)及其分布，以及工況設(shè)定三個(gè)方面。

a.網(wǎng)格劃分。

①思路與依據(jù)。通過剖析車廂的結(jié)構(gòu)特征，采用四邊形和三角形混合的殼網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，尺寸設(shè)置為10mm。

②網(wǎng)格劃分結(jié)果。基于車廂的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型中包含板材和管材，均屬于薄壁結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力問題［10］。具體方法是將模型的各個(gè)零件抽取中面，在中面上劃分殼網(wǎng)格。最終得到計(jì)算模型擁有節(jié)點(diǎn)數(shù)量519718個(gè)，殼網(wǎng)格數(shù)量522308個(gè)。

③裝配關(guān)系。依據(jù)實(shí)際車廂結(jié)構(gòu)中各部件的連接狀況，在計(jì)算模型中采用Spot焊接連接，使計(jì)算結(jié)果更趨近于實(shí)際情況。

④網(wǎng)格質(zhì)量。對(duì)1d單元進(jìn)行檢查，無自由點(diǎn)、自由邊、重復(fù)單元與節(jié)點(diǎn)連接性問題；對(duì)2d單元進(jìn)行檢查，網(wǎng)格單元最小尺寸為2.97mm，無重復(fù)單元與連接性問題，可進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

b.材料參數(shù)及分布。

對(duì)車廂外表面的蒙皮、上蓋、底板賦予材料DC01鋼，對(duì)車廂內(nèi)部的梁結(jié)構(gòu)賦予材料Q235鋼材料，兩種材料屬性［11-12］如表1所示。

基于表1中DC01鋼與Q235鋼的材料參數(shù)，分別得到兩種材料對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，能夠更準(zhǔn)確地反映材料內(nèi)部的真實(shí)受力和變形情況，如圖4所示。

按照真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，賦予車廂結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，經(jīng)有限元分析計(jì)算后，所得結(jié)果表明應(yīng)急電源車車廂的裝配總重為1.36t。

c.工況設(shè)定。

本節(jié)對(duì)電源車車廂本體的三種工況進(jìn)行有限元仿真，包括自重下垂的約束模態(tài)分析、靜力學(xué)滿載彎曲剛度分析與靜力學(xué)扭轉(zhuǎn)剛度分析。針對(duì)以上三種工況，相關(guān)信息等效計(jì)算工況如下：

①約束模態(tài)工況設(shè)定。在約束模態(tài)工況下，基于車廂與底部車架的連接情況，將鎖具的連接處等效為固定約束。即在有限元模型中創(chuàng)建相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在6個(gè)自由度方向的約束（X、Y、Z方向平動(dòng)自由度即123自由度，X、Y、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度即456自由度），考慮車廂自身質(zhì)量作為主要載荷，分析得到車廂結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。約束信息如圖5所示。

②滿載彎曲工況設(shè)定。在滿載彎曲工況下，按照?qǐng)D6所示的坐標(biāo)系，對(duì)車廂底部快速連接鎖具進(jìn)行如下約束設(shè)置：右下鎖具約束123自由度，左下、右上鎖具分別約束23自由度以及12自由度，左上鎖具約束2自由度，以模擬實(shí)際彎曲工況［13］。隨后，在車廂底板施加均布載荷，將1t的重量均勻分布于底板的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處，以此模擬車廂的滿載狀態(tài)［13］。同時(shí)，去除較為薄弱的車廂上蓋總成，目的是確保主要分析對(duì)象為車廂本體結(jié)構(gòu)。

③扭轉(zhuǎn)剛度工況設(shè)定。在扭轉(zhuǎn)工況下，按照?qǐng)D7所示坐標(biāo)系，對(duì)車廂底部快速連接鎖具進(jìn)行如下約束設(shè)置：右下鎖具約束123自由度，左下、右上鎖具分別約束23自由度以及12自由度，左上鎖具不約束，在鎖具中心施加5kN載荷，以模擬實(shí)際扭轉(zhuǎn)工況［14］。在仿真過程中，不考慮廂體自重，以模擬理想狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)工況。隨后，在得到轉(zhuǎn)矩與扭轉(zhuǎn)角度之間的比值關(guān)系后，對(duì)車廂結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行定量分析。

2.3.2有限元分析結(jié)果

下面對(duì)應(yīng)急電源車車廂的有限元分析結(jié)果進(jìn)行匯總，以明確該車廂在約束模態(tài)、彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度等方面的性能表現(xiàn)，進(jìn)而為車廂結(jié)構(gòu)是否滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

a.約束模態(tài)分析結(jié)果。

通過HyperView后處理軟件查看求解結(jié)果，得到了應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu)在前四階模態(tài)下的固有頻率及振型情況，如表2所示。

應(yīng)急電源車車廂結(jié)構(gòu)前四階模態(tài)分析的位移云圖，如圖8所示。

其中，一階模態(tài)分析顯示，車廂上蓋在8.6Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形；二階模態(tài)分析顯示，車廂上蓋在13.5Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形；三階模態(tài)分析顯示，車廂上蓋在15.5Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形；四階模態(tài)分析顯示，車廂上蓋在18.5Hz的頻率下產(chǎn)生彎曲變形。

b.滿載彎曲分析結(jié)果。

通過HyperView后處理軟件對(duì)應(yīng)急電源車車廂在彎曲工況下的分析結(jié)果進(jìn)行查看，滿載彎曲的位移云圖如圖9所示。

分析結(jié)果表明，車廂的底板以及僅約束Y方向自由度的邊緣梁在該工況下承受主要位移。其中，最大位移值為2.41mm，該最大位移出現(xiàn)在底板靠近中心的位置。

應(yīng)急電源車車廂在滿載彎曲工況下的應(yīng)力云圖如圖10所示。分析結(jié)果表明，應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布于車廂梁結(jié)構(gòu)的焊接點(diǎn)處以及車廂底板位置。其中，最大應(yīng)力集中點(diǎn)位于車廂頂部梁結(jié)構(gòu)，該位置的米塞斯應(yīng)力值為78MPa。

c.扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果。

通過HyperView后處理軟件獲取了應(yīng)急電源車車廂在扭轉(zhuǎn)工況下的分析結(jié)果，其位移云圖如圖11所示。結(jié)果表明，將滿載彎曲工況下約束Y方向自由度的鎖具釋放約束，在該鎖具上施加外載荷F=5kN，變形位置主要集中于施加載荷的梁?jiǎn)卧?，最大變形量?.55mm。

廂體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度根據(jù)下式計(jì)算：

[Kt=T/θ]""""""""""""""""（1）

式中，[Kt]為扭轉(zhuǎn)剛度；[T]為扭矩；[θ]為扭轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)廂體寬度方向跨度為1822mm，集中載荷點(diǎn)位移量為1.31mm，求得：

廂體寬度方向的扭矩[T=Fl=5000×1822×10-3N·m=9110N·m]；扭轉(zhuǎn)角度[θ=arctan1.311822×180π=2.36°]；代入式（1）得，廂體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度[Kt=T/θ=3859.67N·m/（°）]。

2.3.3仿真分析結(jié)論

通過對(duì)應(yīng)急電源車進(jìn)行約束模態(tài)、滿載彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分析，對(duì)車廂結(jié)構(gòu)的性能有了較為全面的了解，具體結(jié)論如下：

a.模態(tài)分析結(jié)論。

通過對(duì)應(yīng)急電源車進(jìn)行模態(tài)分析，得到了其前四階固有頻率和振型，其固有頻率分布于8.5～18.6Hz區(qū)間，處于合理范疇，有效避開了實(shí)際運(yùn)行時(shí)外界激勵(lì)可能涉及的頻率范圍，降低了共振現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，從而確保車輛行駛的平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)的可靠性。

b.滿載彎曲分析結(jié)論。

在滿載彎曲工況下，對(duì)應(yīng)急電源車進(jìn)行有限元分析得到了車身結(jié)構(gòu)的變形情況與應(yīng)力分布情況。車廂變形主要位于車身底部及其相連車架部分，最大變形量發(fā)生在底板靠近中心的位置，其數(shù)值為2.41mm；應(yīng)力集中區(qū)域主要位于車廂內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)的焊接處，最大應(yīng)力為78MPa。綜合滿載彎曲結(jié)果得出應(yīng)急電源車在滿載工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

c.扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)論。

通過對(duì)應(yīng)急電源車的扭轉(zhuǎn)剛度分析，計(jì)算得到其扭轉(zhuǎn)剛度為3859.67N·m/（°）。該數(shù)值反映了廂體結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)力作用時(shí)抵抗變形的能力［15-16］，為后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

3結(jié)語

本研究對(duì)可分體落地電源車車廂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元仿真分析，旨在優(yōu)化其設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，采用可分體設(shè)計(jì)的電源車在靈活性、可維護(hù)性和功能多樣性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其在復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)更為出色。通過有限元分析，評(píng)估了車廂在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形，表明其設(shè)計(jì)滿足運(yùn)輸和使用中的強(qiáng)度和剛度要求，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行?；诜抡娼Y(jié)果，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，包括材料選擇和連接方式等，以提升性能、降低故障率并延長(zhǎng)使用壽命。

研究驗(yàn)證了可分體設(shè)計(jì)的可行性，提升了電源車的運(yùn)輸靈活性，并簡(jiǎn)化了對(duì)車輛的維護(hù)和升級(jí)。盡管取得了一定成果，但仍存在局限，如模型與實(shí)際應(yīng)用可能存在差異，且本研究主要集中在靜態(tài)分析，缺乏動(dòng)態(tài)特性和長(zhǎng)期疲勞性能的探討。未來研究應(yīng)拓展至動(dòng)態(tài)性能分析、疲勞與可靠性研究，并結(jié)合智能化與自動(dòng)化技術(shù)，提高操作效率和安全性。此外，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將進(jìn)一步支持仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上，本研究為可分體電源車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論支持，并推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用擴(kuò)展。

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作者簡(jiǎn)介：

鄒文斌，男，1991年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩p量化技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化推廣。