基于有限元仿真技術的可分體落地電源車車廂結構力學性能分析

摘要：探討了分體式電源車在現代社會中的重要性，強調其在為現代工業提供電力后勤保障中的關鍵作用。隨著專用車行業的發展，電源車的設計正朝著高效、環保和智能化方向發展，其中可分體設計成為提升靈活性和維護便利性的創新方案。基于有限元仿真技術，分析了可分體落地電源車車廂的結構力學性能，旨在為電源車的設計優化和材料選擇提供科學依據。通過有限元仿真技術評估了其在不同工況下的力學表現，提出了優化建議，推動電源車技術的進步與應用。研究結果將為電源車的創新發展提供理論支持和實踐指導。

關鍵詞：有限元仿真；電源車；車廂結構；力學性能；結構分析

中圖分類號：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

電源車在現代工業和民用領域中具有重要作用，尤其是在為應急救援等關鍵時刻提供電力支持方面。隨著需求增長，電源車配備了高效發電機組、儲能系統和電源管理系統，以確保設備在復雜環境中的穩定運行［1］。為順應綠色環保和節能減排趨勢，電源車逐步采用新能源技術，如電池和氫燃料電池，降低傳統能源依賴并減少溫室氣體排放。

近年來，為了適應軍事和應急救援等特殊場合，電源車采用了可分體設計（圖1），使各功能模塊可以靈活拆分和組合，提高運輸和操作的靈活性［2］。實際使用中，這種設計在車廂的結構性能上帶來了新的挑戰，包括復雜載荷條件下的力學性能和穩定性問題，因此需要對其進行力學性能分析和設計優化［3］。

基于有限元仿真分析，本研究將評估可分體車廂的結構強度和剛度表現，提出優化方案，以確保其在高強度工況下的可靠性，并提升電源車的使用壽命和維護效率［4］。

1.2研究目的

隨著工業的快速發展，電源車作為后勤保障設備，其設計和性能直接影響服務效率。傳統電源車一體化設計雖然滿足基本需求，但在靈活性、可維護性和功能多樣性方面存在一定不足。可分體設計作為創新方案，提升了電源車的適應性、延長了使用壽命，并降低了運營和維護成本［5］。

本文主要探討基于有限元仿真技術的可分體落地電源車車廂結構力學性能分析。通過有限元分析，全面了解車廂在不同工況下的力學表現，為設計優化提供科學依據。研究還將為材料選擇和結構設計提供指導，推動電源車技術的創新發展。

本文的研究目標包括：建立有限元模型并進行結構力學分析，評估車廂在不同工況下的表現，提出優化設計建議，并推動可分體電源車設計的理論與實踐應用。最終，研究將為電源車的設計優化、技術進步和市場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建：

a.幾何建模。基于前述的車廂幾何模型，利用CAD軟件（如SolidWorks或CATIA）創建車廂的三維模型。模型中包括金屬骨架（Q235）和蒙皮材料（DC01）的細節，以確保模型的準確性和真實性。

b.網格劃分。對幾何模型進行網格劃分是有限元分析的關鍵環節［7］。采用適當的網格類型（如四面體或六面體）對模型進行劃分，確保網格的尺寸和密度能夠反映結構的力學特性。一般來說，關鍵區域（如連接部位、邊緣等）需要更細的網格，以提高計算精度。軟件通常提供自動化網格劃分功能，但在特定情況下，研究人員可以手動調整網格大小以滿足特定需求。

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

d.模型驗證。在進行有限元分析之前，需對模型進行驗證，包括檢查幾何形狀、材料屬性和網格劃分是否符合設計要求。通過與已有的實驗數據或理論分析進行對比，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置直接影響有限元仿真的結果，必須根據電源車車廂的主要力學性能進行合理配置，包括約束模態頻率、滿載彎曲（彎曲剛度）和扭轉剛度［9］。

a.邊界條件。為了準確評估電源車車廂的動態特性和靜態強度，邊界條件需合理設置。在本研究中，車廂底部與車架接觸的部分設置為固定邊界，以模擬車廂在使用過程中受到的約束。此外，車廂側面的連接部位可以設置為鉸接邊界，以便于分析其在不同加載條件下的變形和振動響應。

b.約束模態頻率。為評估車廂的動態特性，施加適當的質量分布，以計算其固有頻率。通過對車廂施加單位質量或模擬其實際質量分布，進行模態分析，獲取其模態頻率和振型，從而評估其抗振性能。

c.滿載彎曲。在評估車廂的彎曲剛度時，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。通過施加的均勻載荷來分析車廂在靜態條件下的應力和變形，以確定其彎曲剛度和承載能力。

d.扭轉剛度。在分析車廂的扭轉剛度時，可以施加扭轉載荷或剪切載荷，以模擬車廂在行駛過程中可能遇到的扭轉應力。通過施加扭轉力矩，分析車廂的扭轉變形和相應的應力分布，以評估其扭轉剛度。

通過合理設置邊界條件和加載方式，可以確保有限元分析更接近實際工況，從而得到可靠的仿真結果，為電源車車廂的設計和優化提供有力支持。在完成模型建立及加載條件設置后，將進行求解和結果分析，以評估車廂的力學性能。

2.3仿真分析過程

2.3.1有限元模型搭建

本文的分析對象是應急電源車車廂結構，車廂由蒙皮、上蓋、底板以及內部的橫縱梁結構組合而成，在車廂底部電機與電纜所處位置配備了加強板，通過箍筋將與車輪相連的縱梁和車廂底部的梁進行連接。除此之外，車廂的幾何模型內部包括配電系統、散熱系統、通風系統等非承載結構，對其進行簡化，簡化后的幾何模型如圖2所示。

本文闡述了應急電源車車廂有限元模型的建立流程，通過HyperMesh軟件對有限元模型進行前處理操作，包括網格劃分、材料參數及其分布，以及工況設定三個方面。

a.網格劃分。

①思路與依據。通過剖析車廂的結構特征，采用四邊形和三角形混合的殼網格對其進行網格劃分，尺寸設置為10mm。

②網格劃分結果。基于車廂的幾何模型進行網格劃分，該模型中包含板材和管材，均屬于薄壁結構平面應力問題［10］。具體方法是將模型的各個零件抽取中面，在中面上劃分殼網格。最終得到計算模型擁有節點數量519718個，殼網格數量522308個。

③裝配關系。依據實際車廂結構中各部件的連接狀況，在計算模型中采用Spot焊接連接，使計算結果更趨近于實際情況。

④網格質量。對1d單元進行檢查，無自由點、自由邊、重復單元與節點連接性問題；對2d單元進行檢查，網格單元最小尺寸為2.97mm，無重復單元與連接性問題，可進行有限元分析計算。

b.材料參數及分布。

對車廂外表面的蒙皮、上蓋、底板賦予材料DC01鋼，對車廂內部的梁結構賦予材料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，分別得到兩種材料對應的真實應力應變曲線，能夠更準確地反映材料內部的真實受力和變形情況，如圖4所示。

按照真實應力應變曲線，賦予車廂結構材料參數，經有限元分析計算后，所得結果表明應急電源車車廂的裝配總重為1.36t。

c.工況設定。

本節對電源車車廂本體的三種工況進行有限元仿真，包括自重下垂的約束模態分析、靜力學滿載彎曲剛度分析與靜力學扭轉剛度分析。針對以上三種工況，相關信息等效計算工況如下：

①約束模態工況設定。在約束模態工況下，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建相應節點在6個自由度方向的約束（X、Y、Z方向平動自由度即123自由度，X、Y、Z方向轉動自由度即456自由度），考慮車廂自身質量作為主要載荷，分析得到車廂結構的固有頻率和振型。約束信息如圖5所示。

②滿載彎曲工況設定。在滿載彎曲工況下，按照圖6所示的坐標系，對車廂底部快速連接鎖具進行如下約束設置：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網格點處，以此模擬車廂的滿載狀態［13］。同時，去除較為薄弱的車廂上蓋總成，目的是確保主要分析對象為車廂本體結構。

③扭轉剛度工況設定。在扭轉工況下，按照圖7所示坐標系，對車廂底部快速連接鎖具進行如下約束設置：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，以模擬實際扭轉工況［14］。在仿真過程中，不考慮廂體自重，以模擬理想狀態下的扭轉工況。隨后，在得到轉矩與扭轉角度之間的比值關系后，對車廂結構的扭轉剛度進行定量分析。

2.3.2有限元分析結果

下面對應急電源車車廂的有限元分析結果進行匯總，以明確該車廂在約束模態、彎曲剛度以及扭轉剛度等方面的性能表現，進而為車廂結構是否滿足應用標準提供理論依據。

a.約束模態分析結果。

通過HyperView后處理軟件查看求解結果，得到了應急電源車車廂結構在前四階模態下的固有頻率及振型情況，如表2所示。

應急電源車車廂結構前四階模態分析的位移云圖，如圖8所示。

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

b.滿載彎曲分析結果。

通過HyperView后處理軟件對應急電源車車廂在彎曲工況下的分析結果進行查看，滿載彎曲的位移云圖如圖9所示。

分析結果表明，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，該最大位移出現在底板靠近中心的位置。

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

c.扭轉剛度分析結果。

通過HyperView后處理軟件獲取了應急電源車車廂在扭轉工況下的分析結果，其位移云圖如圖11所示。結果表明，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單元，最大變形量為1.55mm。

廂體結構的扭轉剛度根據下式計算：

[Kt=T/θ]""""""""""""""""（1）

式中，[Kt]為扭轉剛度；[T]為扭矩；[θ]為扭轉角度。

根據廂體寬度方向跨度為1822mm，集中載荷點位移量為1.31mm，求得：

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

2.3.3仿真分析結論

通過對應急電源車進行約束模態、滿載彎曲和扭轉剛度分析，對車廂結構的性能有了較為全面的了解，具體結論如下：

a.模態分析結論。

通過對應急電源車進行模態分析，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區間，處于合理范疇，有效避開了實際運行時外界激勵可能涉及的頻率范圍，降低了共振現象發生的風險，從而確保車輛行駛的平穩性和結構的可靠性。

b.滿載彎曲分析結論。

在滿載彎曲工況下，對應急電源車進行有限元分析得到了車身結構的變形情況與應力分布情況。車廂變形主要位于車身底部及其相連車架部分，最大變形量發生在底板靠近中心的位置，其數值為2.41mm；應力集中區域主要位于車廂內部梁結構的焊接處，最大應力為78MPa。綜合滿載彎曲結果得出應急電源車在滿載工況的結構強度和剛度滿足設計要求。

c.扭轉剛度分析結論。

通過對應急電源車的扭轉剛度分析，計算得到其扭轉剛度為3859.67N·m/（°）。該數值反映了廂體結構在扭轉力作用時抵抗變形的能力［15-16］，為后續的產品優化設計提供了重要的參考依據。

3結語

本研究對可分體落地電源車車廂結構的力學性能進行了有限元仿真分析，旨在優化其設計。結果表明，采用可分體設計的電源車在靈活性、可維護性和功能多樣性方面具有顯著優勢，尤其在復雜環境中表現更為出色。通過有限元分析，評估了車廂在不同工況下的應力、應變和變形，表明其設計滿足運輸和使用中的強度和剛度要求，確保設備穩定運行。基于仿真結果，提出了優化設計方案，包括材料選擇和連接方式等，以提升性能、降低故障率并延長使用壽命。

研究驗證了可分體設計的可行性，提升了電源車的運輸靈活性，并簡化了對車輛的維護和升級。盡管取得了一定成果，但仍存在局限，如模型與實際應用可能存在差異，且本研究主要集中在靜態分析，缺乏動態特性和長期疲勞性能的探討。未來研究應拓展至動態性能分析、疲勞與可靠性研究，并結合智能化與自動化技術，提高操作效率和安全性。此外，實驗驗證將進一步支持仿真結果的準確性。綜上，本研究為可分體電源車的設計與應用提供了理論支持，并推動技術進步與應用擴展。

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作者簡介：

鄒文斌，男，1991年生，高級工程師，研究方向為輕量化技術及其產業化推廣。