基于有限元技术的燃料电池车车架静力分析
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基 于有 限元技术 的燃 料 电 池车车架静力分析
剥 金 霞 （ 、 泛亚汽车技术中心有限公司）
【 摘要】 文章使用有限 元方法建立燃料电池车车架模型， 对车架进行弯曲和扭转两种工况下的静力分
析， 计算 出车架 的应力特 性。得出车架承受载荷时的最薄弱部位 ， 并提出强度加强方案 ， 为进 一步研究 燃料 电池 车提供依据 。
钢， 弹性 模量 为 ２ ０ ０ ＭＰ ， 松 比为 ０ ３ 密 ． １ｘ１５ ａ 泊 ．， 度为 ７ ８ｘ１ ｔ ／ ｍ ， 用应 力 为 ２ ０ ａ ． ０ ｏ ｍ 许 ｎ １ ＭＰ 。 车架 的前 后 处 理 均 采 用 Ａ ｔ ｒＨ ｐ ｒ ｓ ｌ ｉ ｙ ｅＭｅｈ软 ａ
变形 较大 。主 要原 因是 在 扭转 工 况 下 前 右塔 支 撑 处 的位 移 约束被 去 除 。
通 过 ＭＳ — ａｔ ｎ软 件 对 扭 转 工 况 求 解 ， Ｃ Ｎ ｓａ ｒ 车 架 在扭转 工 况下 的应 力如 图 ５所示 。
图 ３ 弯曲工况下等效应力分布 图
图 ５ 扭 转 工 况 下 等 效 应 力 分 布 图
在 弯 曲工况 下 的位移 变形 如 图 ２所 示 。
收 稿 １ ： ０６— ２—１ ３期 ２０ ０ ７
・
３ ・ ６
上海 汽车
２０ ．６ ０ ６ ０
维普资讯
弱
束 ， 右塔 撑 ｚ向 自由度 约 束 ， 左 、 前 后 右塔 撑 ｚ 向 自由度 约束 。四 塔 撑 ｚ 向 自由度 约 束 ， 左 悬 ｙ 前 向 自由度 约 束 ， 桥 连接处 方 向 自由度 约 束 ， 后 后
奠 Ｉ － ｌ
图 ４ 扭 转 工 况 下 Ｚ 向位 移 变 形 云 图
重 量集 中在横 梁 上 ， 导致变 形较 大 。 通 过 Ｍ Ｃ Ｎ ｓａ Ｓ — ａｔ ｎ软 件 对 弯 曲工 况 求 解 ， ｒ 车 架在 弯 曲工况 下 的应 力 如 图 ３所 示 。
从上 图看 出 ： 纵 梁 和 前 右 塔 支 撑 处 的 位 移 右
元数 为 ７ ４ ７ ８ ７ 。主 、 副车 架模 型 总质 量 为 １０ １ ｇ １．ｋ ， 实际 车架 （ 具有 相 同结构 件 ） 重量 为 １ ６ ｇ ｋ。 １
载荷 ： 考虑 白重载荷及弯 曲工况下等 效到车
架上 的分 布 载荷 。 通 过 ＭＳ — ａｔ ｎ软 件 对 此 工 况 求 解 ， 架 Ｃ Ｎ ｓａ ｒ 车
桥连 接处 和 ｙ方 向 自由度 约 束 。
载荷 ： 施加 扭 转 约 束 时 考 虑 了车 架 前 后 桥 实
际ห้องสมุดไป่ตู้ 载情 况 ： 桥 承受 的载 荷 大 于后 桥 ， 以将 前 前 所
右 塔支 撑处 位移 约束 去除 ， 加安 全 系数 。 增
通 过 Ｍ Ｃ Ｎ ｓａ Ｓ — ａｔ ｎ软 件 对 扭 转 工 况 求 解 ， ｒ 车 架 在扭 转 工况 下 的位移 变形 如 图 ４所 示 。
由上 图可 以看 出 ： 后 塔 形 支 撑 是 应 力 最 大 前 的位 置 ， 大达 到 ４ ０ ａ以上 ， 处 实 际 车 架 中 最 ０ ＭＰ 该 已有加 强措 施 ， 考虑 未 模 拟 的加 强 结 构 ， 处 强 若 此
由上 图可 以 看 出 ： 左 塔 形 支 撑 和 后 塔 形 支 前
图 ２ 弯 曲工况下 ｚ向位移变形云图
－ Ｉ ％ ． ＾
从位 移 变 形 云 图看 出 ， 曲 工况 下 车 架 尾 部 弯
发 生翘 曲 ， 大变 形 发 生 在 车架 中部 的 两 座 椅 横 最 梁 下 。此 处 除 了 车架 底 部 有 电 池 外 ， 承 载 了前 还 座椅 和人 的重 量 ， 为 实 际 座 椅 和 人 是 加 载 在 中 因 地板上 的 ， 而该 车架 中不 含 地板 模 型 ， 因此 这 部分
【 主题词 】 车架
汽车 燃料 电池
车架本 体 一 般 由多 个 冲压 件焊 接 而成 ， Ｈ — 在 ｙ ｐｒ ｓ 件 中采 用 刚 性 单 元 （ Ｂ ） 拟 真 实 的 ｅＭｅｈ软 Ｒ２模 焊接 ， 车架 的有 限元 焊接模 型 如 图 １ 示 。 所
０ 概 述
燃 料 电池 车是 一种 以氢 气 为 燃 料 的高 性 能 环 保 型概 念车 ， 过 氢 气 与 氧 气 的 化 学 反 应 提 供 运 通 行 能量 ， 它是 解 决 人 类 能 源 和 环境 压 力 的 一 种 有
２ 静态承载弯 曲工况分析
约束 ： 四塔 撑 ｚ向 自由度约 束 ， 前左 悬 ｌ向 自 ， 由度约 束 ， 桥 连接 处 方 向 自由度 约 束 ， 桥连 后 后 接 处 和 ｌ方 向 自由度约 束 。 ，
件 ， 析 求 解 器 为 Ｍ Ｃ Ｎ ｓ ａ 件 。车 架 模 型 分 Ｓ — ａｔ ｎ软 ｒ 采用 板 单元模 拟 ， 限元 模 型 节 点 数 为 ７ １３ 单 有 ７７ ，
为设计 人 员进 一步 研究燃 料 电池 车提 供依 据 。
１ 车 架 有 限元模 型 的建 立
有 限元分 析 所 用 的车 架 Ｃ Ｄ模 型 由 Ｕ Ｘ Ａ ＧＮ
图 １ 车架有 限元焊接模 型
软件创 建 ， 因为该 车架 主要 是板 材 结 构 ， 静力 分 在 析 时采 用一般 低碳 钢 的材 料 参 数 ， 架 采用 ２ 车 Ｏ号
效途 径 。本文 的燃 料 电 池 车属 于 国家 “ ６ ” 动 ８３ 电 汽车 重大项 目， 车架 结 构发 生 了 变化 ， 必 要 对其 有
进 行模 拟分 析 。本文 对这 种新 结 构 的车 架 进行 承 受 载荷 时弯 曲和 扭 转 两 种 工 况 的静 力 分 析 ， 出 得
了车 架最 薄弱 部位 的应 力 ， 提 出 强度 加 强 方 案 ， 并
基 于有 限元技术 的燃 料 电 池车车架静力分析
剥 金 霞 （ 、 泛亚汽车技术中心有限公司）
【 摘要】 文章使用有限 元方法建立燃料电池车车架模型， 对车架进行弯曲和扭转两种工况下的静力分
析， 计算 出车架 的应力特 性。得出车架承受载荷时的最薄弱部位 ， 并提出强度加强方案 ， 为进 一步研究 燃料 电池 车提供依据 。
钢， 弹性 模量 为 ２ ０ ０ ＭＰ ， 松 比为 ０ ３ 密 ． １ｘ１５ ａ 泊 ．， 度为 ７ ８ｘ１ ｔ ／ ｍ ， 用应 力 为 ２ ０ ａ ． ０ ｏ ｍ 许 ｎ １ ＭＰ 。 车架 的前 后 处 理 均 采 用 Ａ ｔ ｒＨ ｐ ｒ ｓ ｌ ｉ ｙ ｅＭｅｈ软 ａ
变形 较大 。主 要原 因是 在 扭转 工 况 下 前 右塔 支 撑 处 的位 移 约束被 去 除 。
通 过 ＭＳ — ａｔ ｎ软 件 对 扭 转 工 况 求 解 ， Ｃ Ｎ ｓａ ｒ 车 架 在扭转 工 况下 的应 力如 图 ５所示 。
图 ３ 弯曲工况下等效应力分布 图
图 ５ 扭 转 工 况 下 等 效 应 力 分 布 图
在 弯 曲工况 下 的位移 变形 如 图 ２所 示 。
收 稿 １ ： ０６— ２—１ ３期 ２０ ０ ７
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３ ・ ６
上海 汽车
２０ ．６ ０ ６ ０
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弱
束 ， 右塔 撑 ｚ向 自由度 约 束 ， 左 、 前 后 右塔 撑 ｚ 向 自由度 约束 。四 塔 撑 ｚ 向 自由度 约 束 ， 左 悬 ｙ 前 向 自由度 约 束 ， 桥 连接处 方 向 自由度 约 束 ， 后 后
奠 Ｉ － ｌ
图 ４ 扭 转 工 况 下 Ｚ 向位 移 变 形 云 图
重 量集 中在横 梁 上 ， 导致变 形较 大 。 通 过 Ｍ Ｃ Ｎ ｓａ Ｓ — ａｔ ｎ软 件 对 弯 曲工 况 求 解 ， ｒ 车 架在 弯 曲工况 下 的应 力 如 图 ３所 示 。
从上 图看 出 ： 纵 梁 和 前 右 塔 支 撑 处 的 位 移 右
元数 为 ７ ４ ７ ８ ７ 。主 、 副车 架模 型 总质 量 为 １０ １ ｇ １．ｋ ， 实际 车架 （ 具有 相 同结构 件 ） 重量 为 １ ６ ｇ ｋ。 １
载荷 ： 考虑 白重载荷及弯 曲工况下等 效到车
架上 的分 布 载荷 。 通 过 ＭＳ — ａｔ ｎ软 件 对 此 工 况 求 解 ， 架 Ｃ Ｎ ｓａ ｒ 车
桥连 接处 和 ｙ方 向 自由度 约 束 。
载荷 ： 施加 扭 转 约 束 时 考 虑 了车 架 前 后 桥 实
际ห้องสมุดไป่ตู้ 载情 况 ： 桥 承受 的载 荷 大 于后 桥 ， 以将 前 前 所
右 塔支 撑处 位移 约束 去除 ， 加安 全 系数 。 增
通 过 Ｍ Ｃ Ｎ ｓａ Ｓ — ａｔ ｎ软 件 对 扭 转 工 况 求 解 ， ｒ 车 架 在扭 转 工况 下 的位移 变形 如 图 ４所 示 。
由上 图可 以看 出 ： 后 塔 形 支 撑 是 应 力 最 大 前 的位 置 ， 大达 到 ４ ０ ａ以上 ， 处 实 际 车 架 中 最 ０ ＭＰ 该 已有加 强措 施 ， 考虑 未 模 拟 的加 强 结 构 ， 处 强 若 此
由上 图可 以 看 出 ： 左 塔 形 支 撑 和 后 塔 形 支 前
图 ２ 弯 曲工况下 ｚ向位移变形云图
－ Ｉ ％ ． ＾
从位 移 变 形 云 图看 出 ， 曲 工况 下 车 架 尾 部 弯
发 生翘 曲 ， 大变 形 发 生 在 车架 中部 的 两 座 椅 横 最 梁 下 。此 处 除 了 车架 底 部 有 电 池 外 ， 承 载 了前 还 座椅 和人 的重 量 ， 为 实 际 座 椅 和 人 是 加 载 在 中 因 地板上 的 ， 而该 车架 中不 含 地板 模 型 ， 因此 这 部分
【 主题词 】 车架
汽车 燃料 电池
车架本 体 一 般 由多 个 冲压 件焊 接 而成 ， Ｈ — 在 ｙ ｐｒ ｓ 件 中采 用 刚 性 单 元 （ Ｂ ） 拟 真 实 的 ｅＭｅｈ软 Ｒ２模 焊接 ， 车架 的有 限元 焊接模 型 如 图 １ 示 。 所
０ 概 述
燃 料 电池 车是 一种 以氢 气 为 燃 料 的高 性 能 环 保 型概 念车 ， 过 氢 气 与 氧 气 的 化 学 反 应 提 供 运 通 行 能量 ， 它是 解 决 人 类 能 源 和 环境 压 力 的 一 种 有
２ 静态承载弯 曲工况分析
约束 ： 四塔 撑 ｚ向 自由度约 束 ， 前左 悬 ｌ向 自 ， 由度约 束 ， 桥 连接 处 方 向 自由度 约 束 ， 桥连 后 后 接 处 和 ｌ方 向 自由度约 束 。 ，
件 ， 析 求 解 器 为 Ｍ Ｃ Ｎ ｓ ａ 件 。车 架 模 型 分 Ｓ — ａｔ ｎ软 ｒ 采用 板 单元模 拟 ， 限元 模 型 节 点 数 为 ７ １３ 单 有 ７７ ，
为设计 人 员进 一步 研究燃 料 电池 车提 供依 据 。
１ 车 架 有 限元模 型 的建 立
有 限元分 析 所 用 的车 架 Ｃ Ｄ模 型 由 Ｕ Ｘ Ａ ＧＮ
图 １ 车架有 限元焊接模 型
软件创 建 ， 因为该 车架 主要 是板 材 结 构 ， 静力 分 在 析 时采 用一般 低碳 钢 的材 料 参 数 ， 架 采用 ２ 车 Ｏ号
效途 径 。本文 的燃 料 电 池 车属 于 国家 “ ６ ” 动 ８３ 电 汽车 重大项 目， 车架 结 构发 生 了 变化 ， 必 要 对其 有
进 行模 拟分 析 。本文 对这 种新 结 构 的车 架 进行 承 受 载荷 时弯 曲和 扭 转 两 种 工 况 的静 力 分 析 ， 出 得
了车 架最 薄弱 部位 的应 力 ， 提 出 强度 加 强 方 案 ， 并