應急電源車車廂結構有限元分析

鄒文斌

關鍵詞：應急電源車;有限元分析;優(yōu)化設計

應急電源車作為一種專用車輛，主要用于電力、電信以及搶險救災等特殊領域的急供電需求。由于其特有的應用場景決定了產(chǎn)品設計開發(fā)理念有別于其他車型。

與普通乘用車相比，專用車輛的特殊性在于“?！?，其產(chǎn)品批量少、產(chǎn)品變化大，個性化程度高，數(shù)字化的設計手段與仿真技術雖有應用，但應用的范圍比較局限，比如：武漢理工大學使用Ansys軟件，利用拓撲、形狀和尺寸優(yōu)化等方法對大噸位自卸車的車廂和主副車架在多種工況下進行了輕量化研究。唐山亞特專用汽車有限公司對前頂自卸車車廂底板的多道橫梁結構和4道橫梁結構進行了靜力分析和疲勞分析，證明了多道橫梁結構的車廂底板設計更經(jīng)濟合理。南昌航空大學對礦用自卸車車斗結構強度進行了分析和討論，提出改進方案，顯著降低了車斗應力峰值。只是個別產(chǎn)品采用有限元方法進行試探性的模擬分析，更沒有在業(yè)內(nèi)形成大范圍的推廣應用，更沒有建立相應的模擬平臺進行共享分析。

所以在目前國內(nèi)專用汽車產(chǎn)品開發(fā)工作中，很多企業(yè)還是依賴經(jīng)驗和解剖進口結構進行參照性設計，對專用車結構的優(yōu)化主要根據(jù)經(jīng)驗性結論進行局部的靜力學改善，設計與分析未能真正做到并行。這一方面造成設計冗余導致材料浪費，另一方面對于設計方案的缺陷未能在設計環(huán)節(jié)給予優(yōu)化改進從而造成多次往復的試驗試錯。這種開發(fā)方式在產(chǎn)品研發(fā)過程中極大地增加了研發(fā)周期和費用。

有限元仿真技術已經(jīng)在乘用車領域得到非常成功的推廣應用。實踐證明，通過有限元仿真技術與專用車設計生產(chǎn)領域的結合，可為專用車結構零部件、組件總成甚至整車系統(tǒng)級別的設計方案提供涵蓋靜力學、動力學、振動疲勞等學科的全方位且準確的快速計算驗證，進而獲取其各種機械性能數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品方案的優(yōu)劣判斷提供評價指標，同時可為后續(xù)優(yōu)化設計提供數(shù)值化的理論參考，最終為企業(yè)實現(xiàn)縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質量、降低研發(fā)成本的發(fā)展愿景。

1應急電源車車廂骨架的有限元分析方法

1.1有限元分析方法及軟件

有限元分析方法通過將某個結構離散成有限個單元，從而擁有無限未知量的真實系統(tǒng)就變成有限個未知量的計算模型。該模型可通過求解偏微分方程邊值問題近似解的方法來求解滿足誤差要求的穩(wěn)定解。

伴隨著計算機技術的高速發(fā)展，有限元仿真軟件市場也呈現(xiàn)百家齊放、爭鳴斗艷的發(fā)展態(tài)勢。從20世紀70年代至今，全球領域已經(jīng)出現(xiàn)近百種知名的有限元仿真軟件，常見的軟件有Altair HyperWorks、Abaqus、Lsdyna、Ansys、Nastran等。Altair HyperWorks是由Altair公司出品的一套世界領先、功能強大的CAE應用軟件包，是最全面的開放式架構仿真平臺。隨著公司不斷的并購擴張發(fā)展，其功能模塊幾乎涵蓋了所有學科問題的計算能力。再者，該軟件不斷更新的圖形用戶界面也非常友好，面向各個層次的工程師均能易學易用。因此，Altair HyperWorks正慢慢領先于其他仿真軟件，成為相關企業(yè)的首選仿真軟件。

1.2有限元分析標準流程

針對應急電源車車廂結構的有限元分析工作可以參照有限元分析的標準流程進行，如圖l所示，主要包括項目/產(chǎn)品分析、模型搭建、求解計算以及計算結果后處理四個模塊。

a.通過研究應急電源車車廂的基本信息，包括三維模型狀態(tài)、現(xiàn)存產(chǎn)品缺陷記錄、產(chǎn)品作業(yè)工況和作業(yè)環(huán)境等輸入信息，確定分析對象以及分析目的，定義分析類型選取合適的分析軟件，最終形成針對應急電源車廂的某些結構問題的有限元分析方案。

b.根據(jù)CAD模型、BOM表等輸入信息在Hypermesh中劃分有限元網(wǎng)格，定義單元類型，賦予對應的材料屬性并創(chuàng)建各個零件之間的連接關系。根據(jù)不同工況的要求定義約束以及合適的載荷形式，在載荷步中設定恰當?shù)妮敵鲎兞浚罱K形成可計算的數(shù)據(jù)文件。

c.根據(jù)不同的分析類型選擇相應的求解器，其中靜力學強剛度問題可選擇Optistruct求解器，沖擊動力學問題可選擇Radioss求解器。通過求解試算可初步判斷模型的準確性，可以查看計算過程數(shù)據(jù)的報錯以及警告信息，或對比仿真計算結果與實際力學理論推導結果或者實驗數(shù)據(jù)的吻合度等手段。

d.通過前面的驗證對標工作基本可以確定準確的有限元仿真模型，并得到完整的計算結果文件。將結果文件導入Hyperview/Hypergraph等后處理軟件，生成可讀性強且直觀的結果數(shù)據(jù)或者圖片用于分析報告的撰寫。

1.3車廂結構有限元模型的搭建

合理正確地搭建有限元模型是獲取準確仿真結果的必要條件。從三維數(shù)模到有限元網(wǎng)格模型是一個類似園丁修枝剪葉的過程，只不過園丁的修剪準則是美觀，而網(wǎng)格工程師的工作原則是使用盡可能少的網(wǎng)格單元以及盡可能簡單的結構形態(tài)復刻產(chǎn)品結構的主要力學特征。因為網(wǎng)格模型的質量直接影響了計算分析的速度和準確度。搭建有限元模型有以下幾個原則：

a.在保證計算精度滿足計算目的的前提下，盡可能少地控制網(wǎng)格數(shù)量，比如關鍵問題區(qū)域可細化網(wǎng)格，其他區(qū)域可放大網(wǎng)格尺寸。

b.合理選擇網(wǎng)格類型可減少積分點數(shù)量，從而減少數(shù)據(jù)的傳輸計算量加快模型的計算速度。

c.對于連接的建?？筛鶕?jù)分析類型選擇合適的建模方式。比如在車廂的剛度計算工況中可以對焊點焊縫進行合并相應節(jié)點，或者采用剛性連接相應節(jié)點等方法;而對于連接強度校核計算就需要采用更詳細的模型來模擬，比如焊縫單元或者梁單元的使用就可以輸出連接位置的應力應變計算結果。

以上建模準則幾乎適用于所有車型結構力學問題的建模工作，而對于采用承載式車廂形式的應急電源車來說，針對車廂結構的力學性能分析問題，從產(chǎn)品的三維數(shù)模到有限元網(wǎng)格模型的轉化過程還可以考慮以下幾項簡化措施：

a.建模過程可以省去非承載構件以及裝飾件，比如車廂扇熱用的百葉窗、車內(nèi)裝飾用塑料件、排風風機、照明燈等。

b.車內(nèi)發(fā)電機組、電纜絞盤以及儲能模塊等設備可用等效簡化模塊代替或者考慮在相應的安裝點施加對應的配重，而不進行詳細建模。

c.由于車廂的管梁型材以及蒙皮面板均屬于薄板結構，可抽取中面劃分殼單元網(wǎng)格，并通過截面屬性賦予厚度信息。

d.由于應急電源車廂主要采用金屬框架結構焊接金屬蒙皮方案，在建模中需要處理大量的點焊連接。為了提高建模效率，可以利用Hypermesh自帶的Connector工具，快速識別焊點位置并焊接對手件。

e.應急電源車廂結構的部分構件具有鏡像對稱性，可以合理利用鏡像工具實現(xiàn)快速復制;對于部分不規(guī)則的構件可以進行適當?shù)暮喕?，有助于獲取更高質量的網(wǎng)格單元。

f.針對數(shù)模中數(shù)量較多且尺寸較小的幾何特征可以通過Autocleanup自動清除，適當?shù)膸缀吻謇砜梢宰詣踊筛哔|量的網(wǎng)格。

g.創(chuàng)建不同的材料卡片并附給對應的零件屬于繁瑣的重復性操作，可以通過編寫tcl文檔來創(chuàng)建宏命令自動讀取csv文件中的材料信息，然后創(chuàng)建材料卡片并賦予對應的零件。

另外考慮到計算效率問題，網(wǎng)格尺寸對于強度問題不突出的零件可以劃分50mm網(wǎng)格，而對于個別需要探究局部強度問題的零件可以劃分10mm網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后，整個應急電源車車廂共有316999個網(wǎng)格以及319818個節(jié)點。完成后有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.4車廂結構的載荷工況定義

車廂結構的有限元分析可以參考乘用車的承載式白車身分析思路，即對整個車廂的分析可以將約束施加在車廂與底部車橋的連接位置。應急電源車在實際使用工況中所面臨的載荷是錯綜復雜的，為了全面分析車廂結構的強剛度性能，為進一步優(yōu)化提供數(shù)值化的參考依據(jù)，本文對其受力情況做了以下幾種歸納：

a.約束模態(tài)，主要考察該車廂在約束情況下的固有頻率以及對應的振型。通過該工況的計算可以避免與來自路面或者發(fā)動機的激勵出現(xiàn)共振現(xiàn)象。約束條件是對車廂與車架的所有安裝點進行XYZ約束。

b.滿載彎曲工況主要是對貨車在滿載狀態(tài)下，四輪著地時的結構強度和剛度進行校核，主要模擬汽車在良好路面下勻速行駛時的結構變形和應力分布。由于車速較高。故取動載系數(shù)為2.0。約束條件分別是右前輪XYZ約束，左前輪XZ約束，右后YZ約束，左后Z約束，釋放其余自由度。

c.扭轉工況主要是對貨車在滿載狀態(tài)下，計算車架一輪騎障或者懸空時施加在車架上的扭矩作用，其中最嚴苛的狀態(tài)是汽車低速通過崎嶇不平路面時發(fā)生的。由于車速較低，故取動載系數(shù)為1.3。約束條件分別是左前輪XYZ約束，右前輪XZ約束，左后輪YZ約束，右后釋放。

d.急速轉彎工況主要考核車輛在緊急轉彎情況下，離心力產(chǎn)生的側向載荷對車身的影響。分別對右前輪進行XYZ約束，左前輪XZ約束，右后YZ約束，左后Z約束，釋放其余自由度。由于車速較低。故取動載系數(shù)為1.2。車身Y向施加0.4g慣性載荷。

e.緊急制動工況主要考核車輛在緊急制動情況下，剎車慣性力對車身的影響。約束條件分別是左前輪XYZ約束，右前輪XYZ約束，左后輪YZ約束，右后輪YZ約束。由于車速較低，故取動載系數(shù)為1.5，車身Z向施加- 0.7g慣性載荷。

2有限元分析結果處理與分析

2.1約束模態(tài)工況

將模型導入求解器中，計算得到應急電源車廂的前四階約束模態(tài)的固有頻率如圖3所示，其中第一階模態(tài)頻率為8.1Hz，為前蒙皮的局部振型：第二階模態(tài)頻率為9.0Hz，為整體縱向扭轉振型;第三階模態(tài)頻率為10.5Hz，為前蒙皮的局部振型;第四階模態(tài)頻率為11.3Hz.為整體縱向扭轉振型。

模態(tài)頻率作為反映結構動態(tài)力學特性的重要指標，應急電源車車廂的固有頻率應該高于車架以下的固有頻率（0.8-1.3Hz）.同時滿足高于發(fā)動機的怠速頻率（23.3Hz）.以免發(fā)生結構間的共振現(xiàn)象。前四階模態(tài)頻率均滿足以上判據(jù)，因此可以認定該車廂與車架以及發(fā)動機產(chǎn)生共振的可能性很小，說明該車廂的動態(tài)力學特性符合設計要求。

2.2滿載彎曲工況

應急電源車在滿載的情況下，車廂的最大變形量出現(xiàn)在車廂的底部，屬于車廂頂部在自重的情況下考慮2倍的動載系數(shù)所導致的垂直位移，最大位移量為4.4mm，小于設計的參考值。雖然電源車內(nèi)的發(fā)電機等設備主要安裝于車廂底部，由于車廂底部直接與車架連接，因此車廂底部的變形量也很小，同時左右變形量差距很小，表明左右兩側配重也比較均衡。滿載彎曲工況下變形云圖如圖4所示。

計算結果顯示最大應力位于發(fā)動機安裝點底部的加強板，最大應力為224.5MPa，小于對應材料Q235B的許用應力250MPa，（圖5）。該位置由于考慮了加強板與車廂骨架的剛性焊接，存在應力集中的可能性，因此計算結果相比真實情況會偏大，故車廂整體結構滿足強度要求。

2.3扭轉工況

扭轉工況下，整個車身包括車廂將會出現(xiàn)繞X軸扭轉的現(xiàn)象，本案例重點討論右后輪懸空的情況。因此右后部分車廂出現(xiàn)較大的下落幅度，最大位移量達到10.4mm，位于右后部的頂端。因此該車廂的總體扭轉高度非常大，可以滿足扭轉剛度設計要求扭轉工況下變形云圖如圖6所示。

如圖7所示，該工況下最大應力出現(xiàn)在車廂結構框架上縱梁與橫梁的連接位置，該位置出現(xiàn)最大應力符合車廂結構的受力特性。最大應力為211.7MPa，小于材料的許用應力250MPa.滿足強度設計要求。但是由于該位置屬于典型的扭轉破壞點，建議增加加強板增強縱梁與橫梁在端部的連接強度。

2.4急逑轉彎工況

汽車在急速轉彎工況下，由于有0.4g的側向慣性載荷，車廂會出現(xiàn)側向傾斜的現(xiàn)象。但是應急電源車的重心較低，因此側向的位移量并不大，最大位移量為3.0mm，同樣出現(xiàn)在車廂頂部。展示變形云圖如圖8所示。

該工況的最大應力出現(xiàn)在發(fā)電機安裝加強板與車廂骨架的連接處，如圖9所示，最大應力為213.4MPa，低于材料的許用應力。由于緊急情況下轉彎屬于非常極端的操作，實際情況會比該極端工況更安全，因此該工況的計算結果更大的意義是研究緊急轉彎時的應力分布。計算結果滿足強度設計要求。

2.5緊急制動工況

該工況下，由于制動減速度的作用，整車整體往前傾，如圖10所示。發(fā)電機的配重在這個載荷情況下重新分配，更多的重量分配于前面的兩個安裝點，從而導致最大應力出現(xiàn)在發(fā)電機前面的安裝點周圍，如圖11所示，最大應力為232.4 MPa，低于Q235B材料的許用應力。該應力值在安全范圍之內(nèi)，滿足強度設計要求。

綜合以上五個工況可以對該款應急電源車廂進行多方位的強剛度校核，借助于有限元仿真技術探究各個載荷情況下的變形特征以及最大應力點分布，一方面完成結構力學性能摸底，另一方面也為后續(xù)結構優(yōu)化設計提供參考。五個工況的計算結果匯總見表1。

3結語

本文基于有限元分析方法，利用Altair分析軟件對應急電源車車廂結構進行有限元分析方法研究。針對應急電源車車廂的典型結構提出從網(wǎng)格劃分到模型搭建的基本思路，對應急電源車廂結構進行約束模態(tài)、滿載彎曲、滿載扭轉、急速轉彎以及急速制動等工況的有限元仿真分析。通過有限元仿真手段快速驗證現(xiàn)有車廂結構方案滿足主要力學性能設計要求，同時定量地描述現(xiàn)有方案在各個工況下的強剛度性能指標以及相應的薄弱點，為后續(xù)第二代車廂開發(fā)或者優(yōu)化方案設計提供理論支撐。本研究的開展驗證了有限元仿真技術在應急電源車設計生產(chǎn)領域產(chǎn)業(yè)化應用的可行性，可以預見不久的將來，有限元仿真技術將成為專用車設計生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要且不可或缺的一環(huán)。