燃料電池車電堆支架靜強(qiáng)度及疲勞仿真分析

李曉明 趙俊哲

摘 要：以某燃料電池車電堆支架為研究對(duì)象，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA設(shè)計(jì)電堆支架3D幾何模型，運(yùn)用仿真軟件HyperWorks建立電堆支架有限元模型，并分析了支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命。針對(duì)不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的方案進(jìn)行了優(yōu)化，使其滿足設(shè)計(jì)需求，并通過(guò)了實(shí)車耐久測(cè)試和燃料電池系統(tǒng)臺(tái)架耐久測(cè)試驗(yàn)證[1]。

關(guān)鍵詞：燃料電池車;電堆支架;靜強(qiáng)度;疲勞

中圖分類號(hào)：U469.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-01-04

Abstract： Taking the stack frame of a fuel cell vehicle as the research object， by using 3D designing software CATIA to design 3D geometric model of stack frame， using CAE software HyperWorks to build FEM model， the static strength and fatigue life of the frame were analyzed. Optimization design on the schemes was carried out for the sake of meeting design objects， and then， passed the vehicle durability test and fuel cell system bench durability test.

Keywords： Fuel Cell Vehicle; Stack Frame Bracket; Static Strength; Fatigue

CLC NO.： U469.7? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-01-04

前言

燃料電池車具有零排放、無(wú)污染、效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠主要在現(xiàn)有車型平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)燃料電池車。單從結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，燃料電池各子系統(tǒng)零部件多而零散，系統(tǒng)整體集成度低，導(dǎo)致裝配工藝性差、零件可維修性差等缺點(diǎn)。

質(zhì)子交換膜（PEM）電堆（以下簡(jiǎn)稱電堆）作為燃料電池系統(tǒng)的核心部件，所有子系統(tǒng)零部件都圍繞其進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置。本文介紹了某燃料電池車電堆支架的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。綜合考慮現(xiàn)有車型平臺(tái)及開(kāi)發(fā)成本等因素，前艙采用了支架作為基體搭載電堆及其它燃料電池子系統(tǒng)部件，成本低且裝配簡(jiǎn)單。對(duì)于此類結(jié)構(gòu)件，往往由于設(shè)計(jì)、制造、操作或行駛上的一些原因?qū)е掳l(fā)生損壞現(xiàn)象，其中最常見(jiàn)的是脆性斷裂、疲勞失效以及永久變形而無(wú)法工作的情況。造成損壞的原因常常是結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布不均勻，局部應(yīng)力過(guò)大超出材料的許用應(yīng)力[2]。因此在設(shè)計(jì)階段需對(duì)靜強(qiáng)度及疲勞壽命進(jìn)行重點(diǎn)校核，確保其可靠性。

1 電堆支架模型建立

1.1 電堆支架3D數(shù)模設(shè)計(jì)

電堆支架是利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA建立的3D幾何模型。所搭載零部件主要有電堆、空氣壓縮機(jī)、增濕器、冷卻水泵、中冷器、供氫子系統(tǒng)等。根據(jù)前艙總布置情況[3]，考慮各零部件的重量及安裝方式，擬定電堆支架主體材料使用冷軋高強(qiáng)度鋼HC340LA，鈑金件厚度2mm。通過(guò)沖壓成型并采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊拼焊而成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 電堆支架有限元模型建立

根據(jù)3D幾何模型，用HyperWorks軟件中的前處理模塊HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。鈑金件提取中面，網(wǎng)格基本尺寸為3×3mm四邊形殼單元，根據(jù)有限元建模規(guī)范控制網(wǎng)格質(zhì)量。焊縫使用2D殼單元模擬。螺栓使用RBE2剛性單元模擬。并賦予鈑金件和焊縫材料屬性。電堆支架材料為冷軋鋼HC340LA，材料屬性為：彈性模量206GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m?，屈服極限σs=340MPa。搭載在電堆支架上的各零部件質(zhì)量，用CONM2單元模擬，于零部件質(zhì)心處配重，并用REB3柔性單元連接于電堆支架安裝點(diǎn)。有限元模型如圖2所示。

2 電堆支架有限元分析

2.1 靜強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析是研究在靜態(tài)載荷作用下，結(jié)構(gòu)的承載能力與抵抗變形的能力是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求[4]。約束電堆支架與車身連接四個(gè)安裝位置的6個(gè)自由度，載荷采用慣性力加載。根據(jù)常規(guī)整車行駛工況，分為轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、垂直沖擊（+Z向、-Z向）四個(gè)工況。各工況應(yīng)力結(jié)果如表1所示，應(yīng)力云圖如圖3所示。

通過(guò)靜強(qiáng)度分析結(jié)果可知，電堆支架在垂直-Z向6g工況下最大應(yīng)力為287.1MPa，低于材料HC340LA的屈服極限340MPa，且具有安全余量。電堆支架結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.2 疲勞分析

疲勞是研究結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷作用下的動(dòng)態(tài)特性。其中整車道路耐久性試驗(yàn)是驗(yàn)證車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性和耐久性的重要方法。在車輛開(kāi)發(fā)階段運(yùn)用CAE有限元仿真分析進(jìn)行理論評(píng)估，提前發(fā)現(xiàn)潛在結(jié)構(gòu)耐久性風(fēng)險(xiǎn)，可以有效減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的盲目性，從而縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

2.2.1 疲勞仿真分析流程

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范，在前艙內(nèi)電堆支架與車身的連接處布置三向加速度信號(hào)傳感器，用于采集實(shí)車耐久過(guò)程中的電堆支架附近的加速度信號(hào)。

通過(guò)建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)采集的路譜信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化成PSD譜。之后建立有限元模型進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算并輸出結(jié)果[5，6]。具體流程如圖4所示。

2.2.2 疲勞仿真分析結(jié)果

讀取疲勞壽命結(jié)果文件。規(guī)定疲勞壽命的目標(biāo)值大于1，即理論上完整通過(guò)一次疲勞耐久試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)判斷篩選，電堆支架存在以下兩處疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，如圖8所示。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)1：電堆支架支撐腿加強(qiáng)板附近存在疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。由于受到整個(gè)系統(tǒng)重量的加持，導(dǎo)致折彎處受力較大，焊縫周邊應(yīng)力集中。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)2：此處為電堆安裝平臺(tái)，由于電堆質(zhì)量較大，安裝平臺(tái)呈開(kāi)口懸臂結(jié)構(gòu)，剛度差，焊縫周邊應(yīng)力集中。

2.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)問(wèn)題分析，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1：優(yōu)化加強(qiáng)板形狀，使折彎處力的傳遞分散開(kāi)，減小應(yīng)力集中，從而提高疲勞壽命。如圖9所示。

2.2.4 優(yōu)化方案疲勞仿真分析結(jié)果

優(yōu)化后的電堆支架方案疲勞仿真結(jié)果如圖11所示。測(cè)得電堆支架支撐腿折彎處最小疲勞壽命值為8.0;電堆安裝平臺(tái)周邊最小疲勞壽命值為3.3，均大于目標(biāo)值1，仿真結(jié)果符合要求。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)同等條件下實(shí)車耐久試驗(yàn)和燃料電池系統(tǒng)臺(tái)架耐久試驗(yàn)，檢查上述方案電堆支架各處，未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文介紹了一種燃料電池系統(tǒng)集成的承載式支架。通過(guò)仿真分析，快速找出設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致易失效的部位，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高零件耐久性，并通過(guò)了實(shí)車耐久測(cè)試和燃料電池系統(tǒng)臺(tái)架耐久測(cè)試驗(yàn)證。大大提高了開(kāi)發(fā)效率，減少了試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證的次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期并降低了成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 宛銀生.基于HyperWorks的副車架強(qiáng)度及模態(tài)分析[J].汽車工程師，2017（3）：16-18.

[2] 譚繼錦.汽車有限元法[M].北京：人民交通出版社，2012：177-179.

[3] 吳成平.某新能源汽車前艙支架方案研究[J].研究與開(kāi)發(fā)，2019： 1-5.

[4] 韓彥瀟.基于Altair.HyperWorks的選換擋支架靜強(qiáng)度與模態(tài)分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（4）：127-130.

[5] 萬(wàn)茂林.副車架后固定支架疲勞仿真分析及優(yōu)化[C].2015中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2015：1579- 1582.

[6] 張杰.發(fā)動(dòng)機(jī)附件支架疲勞失效分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)， 2017，6（3）：28-33.