基于Hypermesh的氫燃料電池車身輕量化設(shè)計(jì)分析

劉清國，于蓬，王健，張?jiān)釋毢?/p>

（1.濟(jì)南嬴氫動(dòng)力科技有限公司，濟(jì)南 271100；2.山東交通學(xué)院,濟(jì)南 250000；3.淄博職業(yè)學(xué)院，山東淄博 255300;4.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái) 264670）

0 引言

汽車車身作為汽車的主要承力件, 在滿足汽車強(qiáng)度與剛度要求的基礎(chǔ)上對(duì)車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是汽車輕量化的主要手段之一。P. Chinta[1]通過改變厚度和減少元件數(shù)量對(duì)車身重新設(shè)計(jì)，用復(fù)合材料代替鋼結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從而減輕了客車的總質(zhì)量。B. Ludke[2]考慮車身自身質(zhì)量及相關(guān)靜強(qiáng)度理論，提出輕量化系數(shù)表達(dá)式，達(dá)到乘用車車身本體的輕量化效果。王亞凱等[3]研究了某型電動(dòng)客車客車車身結(jié)構(gòu)的有限元模型分析，以有限元分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)車架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了較為合理的車架輕量化設(shè)計(jì)方案。高晉等[4]以型材厚度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量值,骨架總質(zhì)量最小為目標(biāo)，各工況下的最大位移為約束條件，對(duì)車身骨架建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)輕量化前后的車身骨架在相同條件下進(jìn)行了模態(tài)和結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析。結(jié)果表明：優(yōu)化后4種極限工況下的車身骨架強(qiáng)度與剛度均能得到保證。本文利用有限元前處理軟件Hypermesh及Optistruct模塊，對(duì)氫燃料電池車各種工況下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到車身結(jié)構(gòu)在各種工況下的應(yīng)力云圖，并根據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化以達(dá)到輕量化目的。

1 氫燃料電池車身模型簡(jiǎn)化及有限元模型建立

1.1 UG NX 整車車身幾何模型建立

在三維軟件UG中建立整車車身結(jié)構(gòu)CAD模型，如圖1所示。車架長(zhǎng)4785mm、寬1666 mm，主要采用縱梁、橫梁、頂棚車架及其他附件組合的結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成整車車身，整車車架的各個(gè)結(jié)構(gòu)采用焊接工藝組合成型。

圖1 氫燃料電池整車車身模型

1.2 車身有限元模型建立

在三維軟件UG軟件中建立的整車車身結(jié)構(gòu)CAD模型后，將其文件格式轉(zhuǎn)化為.stp格式文件，并導(dǎo)入到Hypermesh中。

1）模型簡(jiǎn)化。因整車車身結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)件焊接而成，必須要對(duì)全車所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模。由于很多鈑金件組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以根據(jù)具體結(jié)構(gòu)的相關(guān)受力情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

2）幾何清理。由于導(dǎo)入的模型可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，可通過面板中的By Topo對(duì)模型進(jìn)行渲染。

3）網(wǎng)格劃分。采用六面體網(wǎng)格單元為主要單元形態(tài)對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)為提高有限元模型計(jì)算準(zhǔn)確度，將單元尺寸定為10 mm。所建立的車架有限元模型如圖2所示，整個(gè)車架劃分為238 048個(gè)單元，包括329 389個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)在分析時(shí)使用connectors單元來模擬實(shí)際焊接，將車架各組件連接成一個(gè)整體。

圖2 氫燃料電池車車身有限元模型

4）連接處理。有限元模型網(wǎng)格劃分后，將各個(gè)部件進(jìn)行連接，對(duì)車架各個(gè)部分的連接方式進(jìn)行模擬。常見的焊接方式有點(diǎn)焊、縫焊、螺栓3種[5]，如圖3所示。在Hypermesh 軟件當(dāng)中建立連接在1D單元下的Connectors面板中建立縫焊連接方式。

圖3 連接方式

5）材料屬性。車架構(gòu)件采用Q235型材，其相關(guān)特性參數(shù)指標(biāo)為：彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7800 kg/m3，屈服應(yīng)力為235 MPa。

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析一直以來就作為動(dòng)態(tài)分析的重要基礎(chǔ)部分，在汽車這一領(lǐng)域因此也常常利用模態(tài)分析來分析計(jì)算車架的動(dòng)態(tài)性能[6-7]。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)中都會(huì)擁有的一種固有振動(dòng)特性，常常會(huì)以系統(tǒng)產(chǎn)生的固有頻率、阻尼比及模態(tài)振型作為輸出來進(jìn)行固有頻率的計(jì)算分析時(shí)，通常會(huì)采用有限元法來進(jìn)行分析，模態(tài)分析法獲得振動(dòng)頻率的方法通常會(huì)由兩部分組成，即實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及計(jì)算模態(tài)分析。

采用有限元法進(jìn)行模態(tài)分析實(shí)質(zhì)上是一種建立數(shù)學(xué)模型的方法。1個(gè)擁有多個(gè)自由度的彈性線性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程為[8-9]

式中：f（x）為系統(tǒng)的外部激勵(lì)力矩陣；M為質(zhì)量矩陣；x″為系統(tǒng)加速度矩陣；C為阻尼矩陣；x′為系統(tǒng)的速度矩陣；K為剛度矩陣；x為系統(tǒng)的位移矩陣。

因?yàn)檫x用的是自由模態(tài)分析，且阻尼對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的模態(tài)頻率及振型的影響很小，因此可以忽略系統(tǒng)當(dāng)中的阻尼，可以將系統(tǒng)的模態(tài)頻率及振型方程可以簡(jiǎn)化為

利用式（4）、式（5）求得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和模態(tài)。

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)整車車身進(jìn)行自由模態(tài)分析，提取前16階模態(tài)進(jìn)行分析。因在自由約束下進(jìn)行，前6階頻率為0，所以車架模型前6階模態(tài)為剛體模態(tài)。故將第7階模態(tài)頻率作為本文車架的1階彈性模態(tài)，以此類推，共得到車架的10階模態(tài)振型云圖及其相應(yīng)的振動(dòng)頻率。表1為燃料電池觀光車車架的第1階～第10階的固有頻率，第7階到第10階振型見圖4～圖7。

圖4 第7階振型

圖5 第8階振型

前16階模態(tài)分析頻率范圍為0～30 Hz，前16階模態(tài)處于可控范圍，故車身與路面激勵(lì)基本不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖6 第9階振型

圖7 第10階振型

表1 車架的固有頻率Hz

3 整車車身強(qiáng)度分析與校核

車身是整車承載能力最主要的部位，所承受最多的2種載荷分別是彎曲載荷及扭轉(zhuǎn)載荷。所以在本文中將主要進(jìn)行彎曲與扭轉(zhuǎn)2種工況的進(jìn)行分析計(jì)算。為了后續(xù)需要在滿足強(qiáng)度及剛度的條件下進(jìn)行優(yōu)化分析，在此需要對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析。

3.1 強(qiáng)度分析理論

根據(jù)材料力學(xué)中所認(rèn)知的強(qiáng)度理論，強(qiáng)度失效的主要有2種表現(xiàn)：一種是斷裂；一種是屈服。在材料力學(xué)中一共有四大強(qiáng)度理論，分別為最大拉應(yīng)力理論、最大伸長(zhǎng)拉應(yīng)變理論、最大切應(yīng)力理論及最大畸變能理論，而在這些理論當(dāng)中，適用于屈服與剪斷的是第三、第四強(qiáng)度理論。因?yàn)檐嚰艿闹饕牧蠟镼235鋼，所以其強(qiáng)度的主要失效方式為屈服失效，材料失效的標(biāo)志主要是發(fā)生塑性變形，也就是屈服失效，對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度校核可以運(yùn)用第三、第四強(qiáng)度理論[10]。

3.2 載荷約束的施加及結(jié)果分析

滿載車架在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下計(jì)算的應(yīng)力云圖如圖8所示。

彎曲工況是汽車有限元分析中的最基本分析工況[11]。彎曲工況下車架的應(yīng)力分布如圖8（a）所示，基于原有的有限元車架模型，在其前后左右4個(gè)車輪處附近進(jìn)行6個(gè)自由度的全約束，建立約束，在底部車架處施加2個(gè)向上的8000 N的力，施加載荷來進(jìn)行模擬。在上述工況當(dāng)中，車架的最大應(yīng)力為90.48 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235材料的屈服強(qiáng)度。

扭轉(zhuǎn)工況是模擬氫燃料電池車在崎嶇不平的路面行駛的時(shí)候車身的變形與受力情況[12]。扭轉(zhuǎn)工況下車架的應(yīng)力分布如圖8（b）所示，約束后面車輪附近的6個(gè)自由度，在前車輪附近施加相反的為8000 N的力。經(jīng)分析數(shù)據(jù)處理可知，車架的最大應(yīng)力為79.41 MPa，該結(jié)果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235材料的屈服強(qiáng)度。

圖8 滿載車架彎曲與扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力云圖

4 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化再校核分析

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)基本理論

當(dāng)前國內(nèi)外車身輕量化技術(shù)可以分為3種情況：第一種是使用更加輕量化的新型材料用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料；第二種是采用更加先進(jìn)的材料成型技術(shù)，新的成型工藝方法；第三種是對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[13]。

在本文中主要利用第三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法對(duì)車架尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，而且是基于上述的空心方管梁進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[14]。

4.2 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在本文中設(shè)計(jì)目標(biāo)為體積最小化，設(shè)計(jì)變量為空心方管梁的厚度，約束條件為方管梁的最大彎曲應(yīng)力應(yīng)該小于235 MPa。

1）定義設(shè)計(jì)變量：創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量desvar。將prop下面的屬性設(shè)置為Thickness T。

2）定義響應(yīng)：定義體積響應(yīng)volume，再定義一個(gè)應(yīng)力響應(yīng)stress，將應(yīng)力類型設(shè)置為von mises。

3）定義目標(biāo)函數(shù)：將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為min，創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)。

4）定義約束：約束stress響應(yīng)的上限值。將響應(yīng)的上限值設(shè)置為235。

最后提交求解器進(jìn)行求解，求解的密度云圖如圖9所示。

圖9 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)密度云圖

從圖9可以看出，優(yōu)化后的車架最大的厚度為4.8 mm，為了檢驗(yàn)優(yōu)化后的車架是否符合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的校核計(jì)算。

4.3 優(yōu)化后模態(tài)、強(qiáng)度校核分析

模態(tài)及強(qiáng)度的設(shè)置如前述一致，優(yōu)化后的分析處理結(jié)果如表2所示。

表2 車架優(yōu)化后固有頻率Hz

前述分析結(jié)果中，彎曲應(yīng)力較大，因此在這里進(jìn)行彎曲校核。優(yōu)化后的彎曲應(yīng)力分布云圖如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的彎曲應(yīng)力分布云圖

由圖10中分析所示，最大彎曲應(yīng)力為160 MPa，仍然小于Q235材料的屈服強(qiáng)度。說明該車架在相關(guān)工況下的應(yīng)力指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，證明了拓補(bǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

優(yōu)化后的車架模態(tài)頻率及最大應(yīng)力都有所上升，但依然滿足強(qiáng)度條件。在滿足強(qiáng)度及模態(tài)頻率的條件下，由5 mm厚的車架模型優(yōu)化到4.8 mm厚的車架模型，由原車架的502 kg到實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后的車架質(zhì)量480 kg，共減重22 kg，約4%。

5 結(jié)語

本文將氫燃料電池車架三維模型導(dǎo)入有限元仿真軟件Hypermesh中，進(jìn)行車架有限元模型的建立，車架幾何清理、抽取中面、網(wǎng)格的劃分及質(zhì)量檢查、賦予屬性、設(shè)置連接。通過對(duì)車架有限元模型進(jìn)行相關(guān)的模態(tài)分析得出車架模態(tài)振型云圖，驗(yàn)證是否符合車架設(shè)計(jì)要求。對(duì)車架進(jìn)行彎度及扭轉(zhuǎn)工況的分析，校核應(yīng)力強(qiáng)度。采用相關(guān)的優(yōu)化方法，利用Hyperworks自身的求解器Optistruct進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車身的減重。并對(duì)優(yōu)化后的車架進(jìn)行校核分析，符合強(qiáng)度要求。由分析結(jié)果可知，底盤車架一些位置的強(qiáng)度與剛度存在較大余量，因此在滿足靜強(qiáng)度及變形條件的基礎(chǔ)上對(duì)這些部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的車架質(zhì)量減輕4%，且質(zhì)量減輕后的車架同樣滿足強(qiáng)度與剛度要求。