中型载货氢燃料电池车车架的结构设计及优化

中型载货氢燃料电池车车架的结构设计及优化

李佳文

上海宜贤汽车配件有限公司

摘要：氢燃料电池是一种可再生的绿色能源，在能源危机日益突出的情况下，氢燃料电池汽车已经成为国内外研究的热点，其汽车零部件也成为人们关注的焦点。在燃料电池汽车设计过程中，车架是关键的一环，其结构设计是否合理决定着整个车辆的使用性能。本文针对氢燃料电池车车架进行设计，以满足氢燃料电池车车架结构强度和刚度要求为目标，应用 OptiStruct软件建立车架的有限元模型，对氢燃料电池车车架进行结构强度和刚度分析。

关键词：中型载货氢燃料；电池车车架；结构；设计

引言：氢燃料电池汽车以燃料电池为动力源，可以直接将燃料电池产生的电能转化为动力，同时产生的热还可作为备用电源，实现了汽车续航里程长、零排放、低噪声的特点，是新能源汽车发展的重要方向。但由于其高昂的成本，使得燃料电池汽车难以普及。而在氢燃料电池汽车中，车架是车的主要承载件，其强度、刚度和稳定性对整个车辆具有重要的影响。因此，氢燃料电池车车架的设计研究具有重要的意义。

一、中型载货氢燃料电池车的现状

当前，燃料电池技术虽然已经得到了较为广泛的应用，但是仍然存在着一些问题，如氢气与空气混合不够均匀、催化剂不能及时更换、电堆制造成本较高等，这些都严重限制了燃料电池车的发展。在燃料电池车中，车身结构的设计是十分重要的，直接影响着车辆的性能和使用寿命。由于燃料电池汽车所使用的燃料为氢气，对其要求具有极高的安全性能。所以在氢燃料电池车车架设计过程中，应该充分考虑到其安全性。同时由于燃料电池汽车系统较大，其制造成本也很高，因此在设计时还应该充分考虑到其经济性[1]。

从技术角度来说，氢燃料电池车车架设计和传统汽车车架设计存在很大的区别。传统的汽车车架设计一般采用经验法进行设计，对车身结构进行简化后在经过一系列计算后得出该车架的刚度、强度等性能参数。而氢燃料电池车则需要按照实际情况对其进行合理优化，考虑到车辆的轻量化设计及结构强度、刚度要求等因素，必须通过有限元分析法对氢燃料电池车车架进行分析和优化。在这种情况下应用传统力学方法对氢燃料电池车车架结构进行优化设计存在一定的困难。

以氢燃料电池车为研究对象，通过拓扑优化方法对氢燃料电池车车架进行优化设计，并将这两种方法所得结果进行对比分析。首先建立氢燃料电池车车架几何模型。利用软件 Hypermesh建立氢燃料电池车车架有限元模型，并通过将所建立的有限元模型导入 Hyperstudy中生成前处理文件；其次建立优化目标函数和约束条件；最后通过 OptiStruct对氢燃料电池车车架进行拓扑优化和尺寸优化。

与传统的车身结构相比，氢燃料电池汽车的车身重量明显下降。通过拓扑优化和尺寸优化相结合的方法可以明显改善车身结构的轻量化效果。对于车架结构设计而言，这种方法同样具有很大的意义。

二、中型载货氢燃料电池车车架的结构设计

氢燃料电池车车架结构属于复杂结构，在设计过程中存在较多的不确定性。为此，应用 OptiStruct软件建立氢燃料电池车车架的有限元模型，并对氢燃料电池车车架进行结构强度和刚度分析，根据分析结果优化设计氢燃料电池车车架，确定氢燃料电池车车架结构的尺寸。

通过对氢燃料电池车车架结构进行有限元建模分析，能够确定氢燃料电池车车架结构的材料及厚度。同时，建立氢燃料电池车车架的有限元模型后，能够通过有限元模型分析得出氢燃料电池车车架结构强度和刚度的变化趋势。依据氢燃料电池车整车的工况条件及性能要求，在车身上布置有2个发动机、3个空气压缩机、2个氢泵、1个燃料箱、1个氢罐和1个高压储氢瓶。在对车辆运行状态进行分析时，将发动机与空气压缩机固定安装于车身上。在对车体进行优化设计时，需要保证其刚度及强度满足要求。以空气压缩机和氢泵为例，分别为553 mm和609 mm。

（一）有限元模型建立

在 OptiStruct软件中，可以对各种复杂结构的有限元模型进行构建，并通过网格划分技术建立氢燃料电池车车架有限元模型，经过网格划分后得到的氢燃料电池车车架有限元模型。

根据氢燃料电池车车架的尺寸结构，在建立氢燃料电池车车架有限元模型时，需要采用单元类型来进行划分。其中，壳体单元是将壳单元应用于壳体模型中，主要用于对壳体的弹性变形进行模拟，在对壳体进行网格划分时，需要根据各部分所承受的载荷分布情况来确定各个部分的网格密度。对于壳体结构而言，其主要承受外部载荷并传递到车体上。在对氢燃料电池车车架进行网格划分时，需要根据H型钢的断面结构分布来确定壳体内单元类型的划分方法，以保证壳体壁厚和质量符合要求。采用 OptiStruct软件对氢燃料电池车车架进行有限元模型构建时，需要根据氢燃料电池车车架的受力情况和边界条件来确定各部分所承受载荷分布。在对氢燃料电池车车架进行有限元模型构建时，需要对其在承受垂直载荷作用时进行分析，因此需要确定氢燃料电池车车架结构的应力值；在对氢燃料电池车车架进行弯曲和扭转刚度分析时，需要确定其弯曲刚度值、扭转刚度值以

（二）及惯性矩等。

基于以上分析可以得出以下结论：氢燃料电池车车架的各个部分所承受的载荷变化趋势为：弯曲和扭转载荷是呈先增加后减小的趋势；氢燃料电池车车架的最大弯曲应力和最大扭转应力出现在车桥之间；氢燃料电池车车架在发生弯曲时的最大位移发生在车桥与车架之间。

（三）氢燃料电池车车架强度分析

氢燃料电池车车架结构设计完成后，对氢燃料电池车车架进行强度分析，根据氢燃料电池车车架的实际工况条件进行分析计算，得到氢燃料电池车车架结构的应力分布情况和变形情况。氢燃料电池车车架在正常运行时，会受到各种力的作用，如风载、碰撞、弯曲等，但其应力不会超过材料的屈服极限。同时，在行驶过程中，需要使氢燃料电池车车架发生变形及扭转，但其变形量不会超过材料的屈服极限。为了保证氢燃料电池车车架结构在上述工况条件下不会发生破坏现象，需要对氢燃料电池车

三、中型载货氢燃料电池车车架的结构优化

针对氢燃料电池车车架结构设计中存在的问题，以满足氢燃料电池车车架结构强度和刚度要求为目标，采用拓扑优化和尺寸优化两种方法对氢燃料电池车车架结构进行优化设计。应用 OptiStruct软件，在进行氢燃料电池车车架有限元分析时，按照有限元分析步骤对氢燃料电池车车架进行仿真计算。根据分析结果，选取氢燃料电池车车架前两阶扭转刚度最小的一阶扭转模态作为拓扑优化的对象。在 OptiStruct软件中建立氢燃料电池车车架的拓扑优化模型。应用 OptiStruct软件对氢燃料电池车车架进行结构拓扑优化，根据 OptiStruct软件输出结果，得到氢燃料电池车车架的拓扑图。

   在对氢燃料电池车车架进行尺寸优化时，为提高氢燃料电池车车架结构强度和刚度性能，对氢燃料电池车车架进行拓扑优化时，应结合第二章中确定的尺寸优化模型中各设计变量所处的位置对其进行不同尺寸的改变。

（一）氢燃料电池车车架结构改进方案的确定

氢燃料电池车车架结构改进方案为：将原氢燃料电池车车架的纵梁用加强筋代替，同时在车架横梁两端增加加强板。其中纵梁长度L为300 mm，横梁长度L为200 mm，加劲肋宽度B为3 mm，加劲肋厚度1 mm，纵梁上的加强筋高度为2 mm，纵梁上的加强筋板厚度1 mm。基于第二章中确定的优化模型中各设计变量所处位置，对氢燃料电池车车架进行改进方案设计。在原有氢燃料电池车车架纵梁上增加加强筋和加劲肋板后，将纵梁加长至600 mm。由第三章中确定的尺寸优化模型可知，第一阶扭转模态频率为103.4 Hz，第二阶扭转模态频率为109.4 Hz。将第二阶模态频率作为优化目标函数进行拓扑优化，根据第二章中确定的尺寸优化模型中各设计变量所处位置，对第二阶扭转模态进行优化。就此可以看出在第二阶扭转模态频率108.4 Hz下最大变形量为2.94 mm。第二阶模态进行优化后氢燃料电池车车架的一阶扭转模态频率由原来的103.4 Hz提升至105.5 Hz。由于氢燃料电池车车架一阶扭转刚度较小不满足设计要求，所以对氢燃料电池车车架进行结构改进。

（二）氢燃料电池车车架尺寸优化

对第二章中确定的氢燃料电池车车架尺寸优化模型进行尺寸优化，通过计算后得到氢燃料电池车车架的最终尺寸。

在满足氢燃料电池车车架刚度要求的情况下，氢燃料电池车车架整体结构最大应力值为71.36 MPa，比拓扑优化得到的氢燃料电池车车架最大应力值还低4.67 MPa。因此，为了进一步提高氢燃料电池车车架的强度和刚度性能，对第三章中确定的氢燃料电池车车架尺寸优化模型进行尺寸优化。以氢燃料电池车车架第一阶扭转模态频率最小为目标函数，以氢燃料电池车车架截面尺寸、截面形状、结构厚度和材料密度等设计变量，氢燃料电池车车架最终尺寸为例，在第三章中确定的最优解模型中提取各设计变量值对其进行尺寸优化。

（三）氢电车架结构改进前后的对比

燃料电池车车架是氢燃料电池车的重要承载部件，氢燃料电池车的整车质量一般都比较大，因此氢燃料电池车车架结构的设计、优化显得尤为重要。在满足氢燃料电池车车架安全性能的前提下，对氢电车架结构进行优化设计，能够达到减重的目的，使氢燃料电池车的质量降低到合理范围之内。优化设计后的氢燃料电池车车架，前、后两个主要结构弯矩均减小约20%，最大应力减少约17%，刚度增加约1/3。将两个方案的弯矩对比。前、后两个主要结构弯矩均有减小。采用第一、三章中确定的尺寸优化模型进行氢燃料电池车车架结构优化后的氢燃料电池车车架结构弯矩均满足设计要求。由于氢燃料电池车车架发生扭转时，前、后两个主要结构弯矩均会变大，因此为了增加氢燃料电池车车架强度和刚度性能，对后两个主要结构弯矩进行了优化设计，其中优化后的氢燃料电池车架结构弯矩最大值比优化前减少了约6%。根据第三章中确定的尺寸优化模型进行计算，得到后两个主要结构弯矩最大值比前两个主要结构弯矩最大值分别减少了约10%、16%。因此从整体上看，优化设计后的氢燃料电池车车架结构强度和刚度均有提高。与前、后两个主要结构弯矩相比，其最大应力减小了约14%，这是因为氢燃料电池车车架发生扭转时，在前后两个主要结构弯矩处应力比较大，当氢电车架发生扭转时需要较大的应变能来抵抗弯曲变形而产生了较大应力。

结语：针对拓扑优化结果，在保证氢燃料电池车车架强度和刚度要求的情况下，将材料厚度由原来的635 mm更改为650 mm；对尺寸优化后的氢燃料电池车车架进行强度和刚度分析，结果表明：氢燃料电池车车架在正常行驶时均满足强度和刚度要求，且各工况下应力分布均匀，应力集中区域主要发生在连接部位。本文研究中的不足之处是：对氢燃料电池车车架的材料厚度进行优化时，并没有考虑到其他零件的材料厚度。

参考文献：

[1]黄妮,张志超,戴作强等.氢燃料电池客车车架动态特性分析与优化研究[J].制造业自动化,2019,41(01):93-98.