燃料电池轿车车身结构分析与优化

作者：同济大学 鞠晓锋 陈昌明 吴宪

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 一、概述 文中燃料电池轿车车身结构以某车型为平台，在其车身结构基础上根据燃料电池车设计需要进行局部修改和加强，使其满足燃料电池车各个动力总成空间的布置以及相应承载能力，所以车身包含了原车沿用件，新车改制件和加强件。同上一代燃料电池车相比较，本车取消了完整的底盘车架，改为3段贯通的底盘前、中、后纵梁。 二、车身有限元模型的建立 模型主要采用shell四边形单元，部分三角形单元和一维rigid单元，单元总数为22748。和上一代车型对比，本文采用与上一代车模型相同的材料密度分布。 三、燃料电池车车身刚度分析 对燃料电池车车身刚度分析采用试验工况，分别为试验弯曲工况和试验扭转工况。 （一）试验弯曲工况 参考《汽车工程手册》承载式轿车车身弯曲刚度试验准则，本次仿真在前后塔形支撑处约束，在前后座椅位置相应节点均匀分布荷载，当量加载874.7kg。在纵梁间距300mm 布置测量点。主要横梁位置大约间距200mm布置测量点。纵梁测量结果如图1所示： 弯曲刚度=874.7×9.8/[（0.941＋0.922）/2]=9207.4（N/mm） 从弯曲刚度结果对比来看，燃料电池车大于原型车，但小于上一代车型。这是由于燃料电池车相对于原型车来说，加了两根中纵梁，并且贯通了前后纵梁，使得弯曲刚度得以提高，但是相对于上一代车型的整体式底盘车架必然是弯曲刚度偏小。计算结果和实际情况符合。 （二）试验扭转工况 同样参考《汽车工程手册》承载式轿车车身扭转刚度试验准则，在车身后塔形支撑处约束6向自由度，在前部塔形支撑处当量加载5810N/m的扭矩，分别进行左扭和右扭的仿真分析。在上述弯曲刚度测量点示意图位置点测量出位移，并换算成相对转角，如图2所示： 扭转刚度：5810/0.492=11808.9（N/mm） 从扭转刚度对比来看，燃料电池车扭转刚度大于原型车，和上一代车型基本相当。 四、燃料电池轿车车身初步方案轻量化优化设计 由于燃料电池车车身是在某车型车身基础上改制而来，为保证燃料电池车车身性能，修改件和增加件在设计参数上都留有很多盈余。虽然能保证车身性能，但是改制件总量也达到181.8kg，有很大的轻量化潜力。 （一）优化变量、约束和目标的确定 通过对燃料电池车改制件分析，确定以所有改制件（包括中纵梁）的板件厚度和中纵梁的形状为优化变量。由于中纵梁有挂载锂电池等限制，只能以中纵梁高度为优化变量，而且高度变化还受整车最小离地间隙的限制。从燃料电池车强度分析来看都有较大剩余，并且必要时可以对特定部件改用高强度钢替换材料，所以车身优化时强度不作为优化约束条件。而车身模态（绕X轴扭转和绕Y轴弯曲）与车身扭转和弯曲刚度直接相关，所以本文以燃料电池车改制件为优化部件，以弯曲和扭转刚度为约束条件。从燃料电池车刚度来看，弯曲和扭转刚度都较原型车有较大提高，弯曲和扭转刚度降低小于5%时仍然能满足车身刚度要求。所以本文希望在弯曲和扭转刚度降低小于5%的基础上，达到使改制件重量有较大降低（＞20%）的目标，优化变量及编号见表1。 （二）基于弯曲和扭转工况的变量优化 弯曲工况板厚的优化以表1 为优化变量，约束条件为纵梁最大Z向变形处不大于原车试验工况下的测量值，以质量最小为优化目标。经过25轮迭代，最终优化结果见表2。 扭转工况板厚的优化以表2为优化变量，约束条件为扭矩加载处Z向变形处不大于原车试验工况下的测量值，以质量最小为优化目标。经过25轮迭代，最终优化结果见表3。 （三）弯曲和扭转工况下优化变量的灵敏度分析 试验设计：由于车身修改件的厚度和纵梁的高度对车身弯曲和扭转刚度基本呈现同方向变化趋势（即板件厚度降低和纵梁高度降低必然使刚度降低），同时考虑到计算耗时和计算效率，所以对15变量选用2水平进行正交试验。 在两种工况下分别对15个优化变量做基于弯曲刚度的正交试验，即做出15因素2水平正交表，分别同量的改变优化变量的值，得出弯曲和扭转响应值（左右纵梁测量点位移）的变化，从而求得优化变量对响应值的灵敏度。 （四）优化变量最终取值的确定 综合两种工况变量灵敏度分析结果可得到质量灵敏度百分比、弯曲刚度灵敏度百分比、扭转刚度灵敏度百分比，见表4～表6。 综合上述表格，对于两个工况下变量取值不同时，根据此变量对两个工况的灵敏度贡献，同时参考质量灵敏度，确定取值，见表7。 五、优化后刚度校核 弯曲刚度：874×9.8/[（0.966+0.985）/2]=8787.4（N/mm） 扭转刚度：5810/0.5075=11448.3（N/mm） 原车与优化后车比较： 1.mass: 641.8-686.1=-44.3kg 占白车身比重：（-44.3/686.1）×100%=-6.46% 占修改件比重：（-44.3/181.8）×100%=-24.37% 2.弯曲刚度：[（8787.4-9207.4）/9207.4]×100%=-4.56% 3.扭转刚度：[（11448.3-11808.9）/11808.9]×100%=-3.05% 从上面的分析可以看出，结果满足设计要求，达到了优化目的。 六、结论 通过对燃料电池车的刚强度分析，并以刚度为约束条件，以板件厚度和杆件形状相混合为优化变量，分别在各个工况下进行优化，再在各工况灵敏度分析的基础上的轻量化优化方案成功地实现了设计要求。本文探讨的基于Hyperworks 的多工况优化方法为工程问题提供了可行的解决途径。 参考文献： [1] 顾柏良， 等.汽车工程手册（试验篇） [M] .北京: 人民交通出版社.2001. [2] 李名惠，卢晓春. CAD、CAE、CAM一体化技术在汽车轻量化中的应用[J].公路与汽运，2002，8. [3] 高云凯，等.轿车车身模态修改灵敏度计算分析[J].汽车工程，2001，08.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/1/2007)