12 m燃料電池客車全承載車身的有限元分析

刁國虎, 費有霞

(揚州亞星客車股份有限公司, 江蘇 揚州 225116)

為滿足市場需求,本公司設計開發(fā)了型號為JS6128GHFCEV的全承載車身燃料電池客車。與傳統(tǒng)燃油車相比,此車型整車布置大不相同,傳統(tǒng)的燃油車骨架設計已不具備參考價值。為防止發(fā)生骨架開裂的重大質(zhì)量問題,在整車結構設計完成后、樣車生產(chǎn)前,運用Patran+Nastran軟件對此車型骨架進行強度分析,找出不滿足使用要求的部位,并進行設計改進和驗證。

1 有限元模型的建立

該車型為低入口城市客車,一級踏步,采用前2后4氣囊懸架設計,全承載車身,燃料電池的儲氫系統(tǒng)位于頂蓋,高壓件以及電機位于整車后端,主要參數(shù)為:車長12 000 mm,車寬2 550 mm,車高3 120 mm;前懸2 650 mm,軸距6 150 mm,后懸3 200 mm;前輪距2 075 mm,后輪距1 860 mm;廠定最大質(zhì)量18 000 kg,前軸6 500 kg,后軸11 500 kg。

1.1 模型的簡化

由于整車實際結構非常復雜,為了提高計算的效率,在建立有限元模型前需對骨架結構件進行適當簡化[1]:①車窗玻璃使用質(zhì)量單元Mass均勻分布在安裝位置;②由于非承載件(如扶手、內(nèi)飾、儀表臺等)對強度和剛度影響較小,故忽略不計;③站立的乘客按照站立區(qū)域面積平均分配,用質(zhì)量單元Mass模擬;④忽略所有半徑小于3 mm的圓角。

1.2 單元類型的確定

建立客車骨架有限元模型的單元類型一般有梁單元、板殼單元和混合單元[2]三種,本文采用混合單元來建立整車有限元模型。全承載車身骨架多為矩形鋼管桁架結構,采用板殼單元離散骨架結構件;使用剛性單元RBE2模擬焊接和螺栓連接;各大總成件(如電機、冷卻模塊、頂置空調(diào)、氣瓶、座椅以及電池等)在相應質(zhì)心位置簡化為集中質(zhì)量點,用MPC單元在安裝點與整車模型連接;前后橋系統(tǒng)(包括輪胎)用梁單元模擬,懸架部分(如穩(wěn)定桿、推力桿等)用梁單元模擬,根據(jù)各個構件連接的運動關系,設定不同的MPC連接。車身骨架采用的鋼材為Q345[3],車架骨架采用的鋼材為Q700[4],鋼材的材料屬性見表1。

表1 所用鋼材的參數(shù)

1.3 建立的模型

將簡化好的三維模型轉(zhuǎn)成stp格式導入patran軟件中,確定主參考坐標系,采用1.2節(jié)中的網(wǎng)格類型,以網(wǎng)格尺寸為15～20 mm劃分單元,此模型最終有470 750個節(jié)點,488 742個單元,其中包含389個0D單元,2 093個1D單元,485 438個2D單元,822個3D單元。然后賦予各單元材料屬性。最終得到如圖1所示的有限元模型。

圖1 整車骨架有限元模型

2 有限元分析及結構改進

客車實際使用中的載荷和工況很復雜[5],但車體主要典型工況分為垂直載荷、彎扭、轉(zhuǎn)彎和制動,本文對以上典型工況進行分析。

2.1 垂直載荷工況及改進

垂直載荷工況即模擬客車滿載狀態(tài)下[6]在水平路面勻速行駛的情況。具體方法為:約束右前輪UZ向自由度,約束左前輪UY、UZ向自由度,約束右后輪UZ、UX向自由度[7],約束左后輪UX、UY、UZ向自由度,載荷為Z向重力加速度-2g。

1) 根據(jù)計算結果顯示,原結構后橋后橫柵與右側圍連接部位應力為279 MPa,如圖2所示;與左側圍連接部位應力為253 MPa,如圖3所示。均超過了安全值220 MPa,不滿足要求。

圖2 改進前右側圍后輪附近骨架應力

圖3 改進前左側圍后輪附近骨架應力

2) 由于原結構的部分結構強度不滿足使用要求,需進行改進。這里通過改變側圍立柱的規(guī)格來加強結構,將左右立柱的規(guī)格由60 mm×50 mm×2 mm改為60 mm×50 mm×2.5 mm。再次進行計算,右側圍后輪后立柱與車架橫柵連接處最大應力為213 MPa,小于安全值220 MPa,滿足使用要求,如圖4所示。左側圍后輪后立柱與車架橫柵連接處最大應力為194 MPa,小于安全值220 MPa,滿足使用要求,如圖5所示。

圖4 改進后右側圍后輪附近骨架應力

圖5 改進后左側圍后輪附近骨架應力

2.2 彎扭工況

模擬客車滿載狀態(tài)下[8],在凹凸不平路面低速行駛時右前輪懸空的情況。約束左前輪UY、UZ向自由度[9],約束右后輪UZ、UX向自由度,約束左后輪UX、UY、UZ向自由度, 載荷為Z向重力加速度-g。該工況應力結果顯示整車骨架滿足使用要求。

2.3 左轉(zhuǎn)彎工況

模擬客車在滿載狀態(tài)下的急速左轉(zhuǎn)彎情況[10]。約束條件與垂直載荷一樣,載荷為Y向加速度0.4g,Z向加速度-g。該工況應力結果顯示整車骨架滿足使用要求。

2.4 制動工況及改進

1) 模擬客車在滿載狀態(tài)下的緊急制動情況[11]。約束條件與垂直載荷一樣,載荷為X向加速度-0.8g,Z向加速度-g,該工況應力結果顯示后橋下方推力桿支架與車架連接處最大應力為540 MPa,超過了應力安全值450 MPa[12],不滿足使用要求,如圖6所示。

圖6 改進前后橋下方推力桿支架與車架連接處應力

2) 結構改進方案:在與推力桿支座連接的橫梁前方增加2個縱梁與前方橫梁相連(如圖7所示),再次進行計算,得到的最大應力為301 MPa(如圖8所示),遠小于應力安全值450 MPa,結果滿足使用要求。

圖7 后橋下方推力桿支架與車架連接處改進

圖8 改進后后橋下方推力桿支架與車架連接處應力

3 結束語

應用成熟的有限元分析技術,對我司新開發(fā)的燃料電池客車進行結構強度分析,得出車身骨架在典型工況下的應力分布情況,找出不滿足使用要求的部位,提出了改進方案并實施,提高了客車結構設計的合理性和可靠性。由于篇幅有限,本文未在振動噪聲、側翻等方面進行分析探討,可在以后的分析中做進一步的研究。