基于Hypermesh的氢燃料电池车身轻量化设计分析

刘清国，于蓬，王健，张元元，裴宝浩

（1.济南嬴氢动力科技有限公司，济南 271100；2.山东交通学院,济南 250000；3.淄博职业学院，山东淄博 255300;4.烟台职业学院，山东烟台 264670）

0 引言

汽车车身作为汽车的主要承力件, 在满足汽车强度与刚度要求的基础上对车身进行轻量化设计是汽车轻量化的主要手段之一。P. Chinta[1]通过改变厚度和减少元件数量对车身重新设计，用复合材料代替钢结构，减轻了结构的质量，从而减轻了客车的总质量。B. Ludke[2]考虑车身自身质量及相关静强度理论，提出轻量化系数表达式，达到乘用车车身本体的轻量化效果。王亚凯等[3]研究了某型电动客车客车车身结构的有限元模型分析，以有限元分析结果为依据，对车架进行了优化设计，提出了较为合理的车架轻量化设计方案。高晋等[4]以型材厚度作为优化设计变量值,骨架总质量最小为目标，各工况下的最大位移为约束条件，对车身骨架建立多目标优化数学模型，对轻量化前后的车身骨架在相同条件下进行了模态和结构性能对比分析。结果表明：优化后4种极限工况下的车身骨架强度与刚度均能得到保证。本文利用有限元前处理软件Hypermesh及Optistruct模块，对氢燃料电池车各种工况下的结构进行静强度分析，得到车身结构在各种工况下的应力云图，并根据静力计算结果进行参数化优化以达到轻量化目的。

1 氢燃料电池车身模型简化及有限元模型建立

1.1 UG NX 整车车身几何模型建立

在三维软件UG中建立整车车身结构CAD模型，如图1所示。车架长4785mm、宽1666 mm，主要采用纵梁、横梁、顶棚车架及其他附件组合的结构形式，构成整车车身，整车车架的各个结构采用焊接工艺组合成型。

图1 氢燃料电池整车车身模型

1.2 车身有限元模型建立

在三维软件UG软件中建立的整车车身结构CAD模型后，将其文件格式转化为.stp格式文件，并导入到Hypermesh中。

1）模型简化。因整车车身结构由结构件焊接而成，必须要对全车所有结构进行有限元建模。由于很多钣金件组成结构复杂，所以根据具体结构的相关受力情况进行结构简化。

2）几何清理。由于导入的模型可能会出现错误，可通过面板中的By Topo对模型进行渲染。

3）网格划分。采用六面体网格单元为主要单元形态对车架进行网格划分，同时为提高有限元模型计算准确度，将单元尺寸定为10 mm。所建立的车架有限元模型如图2所示，整个车架划分为238 048个单元，包括329 389个节点。同时在分析时使用connectors单元来模拟实际焊接，将车架各组件连接成一个整体。

图2 氢燃料电池车车身有限元模型

4）连接处理。有限元模型网格划分后，将各个部件进行连接，对车架各个部分的连接方式进行模拟。常见的焊接方式有点焊、缝焊、螺栓3种[5]，如图3所示。在Hypermesh 软件当中建立连接在1D单元下的Connectors面板中建立缝焊连接方式。

图3 连接方式

5）材料属性。车架构件采用Q235型材，其相关特性参数指标为：弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7800 kg/m3，屈服应力为235 MPa。

2 模态分析

2.1 模态分析理论

模态分析一直以来就作为动态分析的重要基础部分，在汽车这一领域因此也常常利用模态分析来分析计算车架的动态性能[6-7]。模态是机械结构中都会拥有的一种固有振动特性，常常会以系统产生的固有频率、阻尼比及模态振型作为输出来进行固有频率的计算分析时，通常会采用有限元法来进行分析，模态分析法获得振动频率的方法通常会由两部分组成，即实验模态分析及计算模态分析。

采用有限元法进行模态分析实质上是一种建立数学模型的方法。1个拥有多个自由度的弹性线性系统的动力学微分方程为[8-9]

式中：f（x）为系统的外部激励力矩阵；M为质量矩阵；x″为系统加速度矩阵；C为阻尼矩阵；x′为系统的速度矩阵；K为刚度矩阵；x为系统的位移矩阵。

因为选用的是自由模态分析，且阻尼对于机械系统机构的模态频率及振型的影响很小，因此可以忽略系统当中的阻尼，可以将系统的模态频率及振型方程可以简化为

利用式（4）、式（5）求得系统结构的振动频率和模态。

2.2 模态分析结果

对整车车身进行自由模态分析，提取前16阶模态进行分析。因在自由约束下进行，前6阶频率为0，所以车架模型前6阶模态为刚体模态。故将第7阶模态频率作为本文车架的1阶弹性模态，以此类推，共得到车架的10阶模态振型云图及其相应的振动频率。表1为燃料电池观光车车架的第1阶～第10阶的固有频率，第7阶到第10阶振型见图4～图7。

图4 第7阶振型

图5 第8阶振型

前16阶模态分析频率范围为0～30 Hz，前16阶模态处于可控范围，故车身与路面激励基本不会发生共振现象。

图6 第9阶振型

图7 第10阶振型

表1 车架的固有频率Hz

3 整车车身强度分析与校核

车身是整车承载能力最主要的部位，所承受最多的2种载荷分别是弯曲载荷及扭转载荷。所以在本文中将主要进行弯曲与扭转2种工况的进行分析计算。为了后续需要在满足强度及刚度的条件下进行优化分析，在此需要对车架进行静力学分析。

3.1 强度分析理论

根据材料力学中所认知的强度理论，强度失效的主要有2种表现：一种是断裂；一种是屈服。在材料力学中一共有四大强度理论，分别为最大拉应力理论、最大伸长拉应变理论、最大切应力理论及最大畸变能理论，而在这些理论当中，适用于屈服与剪断的是第三、第四强度理论。因为车架的主要材料为Q235钢，所以其强度的主要失效方式为屈服失效，材料失效的标志主要是发生塑性变形，也就是屈服失效，对车架进行静态强度校核可以运用第三、第四强度理论[10]。

3.2 载荷约束的施加及结果分析

满载车架在弯曲工况和扭转工况下计算的应力云图如图8所示。

弯曲工况是汽车有限元分析中的最基本分析工况[11]。弯曲工况下车架的应力分布如图8（a）所示，基于原有的有限元车架模型，在其前后左右4个车轮处附近进行6个自由度的全约束，建立约束，在底部车架处施加2个向上的8000 N的力，施加载荷来进行模拟。在上述工况当中，车架的最大应力为90.48 MPa，远远小于Q235材料的屈服强度。

扭转工况是模拟氢燃料电池车在崎岖不平的路面行驶的时候车身的变形与受力情况[12]。扭转工况下车架的应力分布如图8（b）所示，约束后面车轮附近的6个自由度，在前车轮附近施加相反的为8000 N的力。经分析数据处理可知，车架的最大应力为79.41 MPa，该结果也远远小于Q235材料的屈服强度。

图8 满载车架弯曲与扭转工况下应力云图

4 车架结构优化设计与优化再校核分析

4.1 优化设计基本理论

当前国内外车身轻量化技术可以分为3种情况：第一种是使用更加轻量化的新型材料用来代替传统材料；第二种是采用更加先进的材料成型技术，新的成型工艺方法；第三种是对车架结构进行优化设计分析[13]。

在本文中主要利用第三种结构优化的方法对车架尺寸进行优化设计分析，而且是基于上述的空心方管梁进行进一步优化设计分析[14]。

4.2 车架结构优化设计

在本文中设计目标为体积最小化，设计变量为空心方管梁的厚度，约束条件为方管梁的最大弯曲应力应该小于235 MPa。

1）定义设计变量：创建设计变量desvar。将prop下面的属性设置为Thickness T。

2）定义响应：定义体积响应volume，再定义一个应力响应stress，将应力类型设置为von mises。

3）定义目标函数：将目标函数设置为min，创建目标函数。

4）定义约束：约束stress响应的上限值。将响应的上限值设置为235。

最后提交求解器进行求解，求解的密度云图如图9所示。

图9 车架结构优化设计密度云图

从图9可以看出，优化后的车架最大的厚度为4.8 mm，为了检验优化后的车架是否符合强度标准，对此进行进一步的校核计算。

4.3 优化后模态、强度校核分析

模态及强度的设置如前述一致，优化后的分析处理结果如表2所示。

表2 车架优化后固有频率Hz

前述分析结果中，弯曲应力较大，因此在这里进行弯曲校核。优化后的弯曲应力分布云图如图10所示。

图10 优化后的弯曲应力分布云图

由图10中分析所示，最大弯曲应力为160 MPa，仍然小于Q235材料的屈服强度。说明该车架在相关工况下的应力指标符合设计要求，证明了拓补优化设计的有效性。

优化后的车架模态频率及最大应力都有所上升，但依然满足强度条件。在满足强度及模态频率的条件下，由5 mm厚的车架模型优化到4.8 mm厚的车架模型，由原车架的502 kg到实现优化后的车架质量480 kg，共减重22 kg，约4%。

5 结语

本文将氢燃料电池车架三维模型导入有限元仿真软件Hypermesh中，进行车架有限元模型的建立，车架几何清理、抽取中面、网格的划分及质量检查、赋予属性、设置连接。通过对车架有限元模型进行相关的模态分析得出车架模态振型云图，验证是否符合车架设计要求。对车架进行弯度及扭转工况的分析，校核应力强度。采用相关的优化方法，利用Hyperworks自身的求解器Optistruct进行优化设计，实现车身的减重。并对优化后的车架进行校核分析，符合强度要求。由分析结果可知，底盘车架一些位置的强度与刚度存在较大余量，因此在满足静强度及变形条件的基础上对这些部件进行轻量化设计，优化后的车架质量减轻4%，且质量减轻后的车架同样满足强度与刚度要求。