12 m燃料电池客车全承载车身的有限元分析

2024-03-05刁国虎费有霞

客车技术与研究 2024年1期

刁国虎, 费有霞

(扬州亚星客车股份有限公司, 江苏扬州 225116)

为满足市场需求,本公司设计开发了型号为JS6128GHFCEV的全承载车身燃料电池客车。与传统燃油车相比,此车型整车布置大不相同,传统的燃油车骨架设计已不具备参考价值。为防止发生骨架开裂的重大质量问题,在整车结构设计完成后、样车生产前,运用Patran+Nastran软件对此车型骨架进行强度分析,找出不满足使用要求的部位,并进行设计改进和验证。

1 有限元模型的建立

该车型为低入口城市客车,一级踏步,采用前2后4气囊悬架设计,全承载车身,燃料电池的储氢系统位于顶盖,高压件以及电机位于整车后端,主要参数为:车长12 000 mm,车宽2 550 mm,车高3 120 mm;前悬2 650 mm,轴距6 150 mm,后悬3 200 mm;前轮距2 075 mm,后轮距1 860 mm;厂定最大质量18 000 kg,前轴6 500 kg,后轴11 500 kg。

1.1 模型的简化

由于整车实际结构非常复杂,为了提高计算的效率,在建立有限元模型前需对骨架结构件进行适当简化[1]:①车窗玻璃使用质量单元Mass均匀分布在安装位置;②由于非承载件(如扶手、内饰、仪表台等)对强度和刚度影响较小,故忽略不计;③站立的乘客按照站立区域面积平均分配,用质量单元Mass模拟;④忽略所有半径小于3 mm的圆角。

1.2 单元类型的确定

建立客车骨架有限元模型的单元类型一般有梁单元、板壳单元和混合单元[2]三种,本文采用混合单元来建立整车有限元模型。全承载车身骨架多为矩形钢管桁架结构,采用板壳单元离散骨架结构件;使用刚性单元RBE2模拟焊接和螺栓连接;各大总成件(如电机、冷却模块、顶置空调、气瓶、座椅以及电池等)在相应质心位置简化为集中质量点,用MPC单元在安装点与整车模型连接;前后桥系统(包括轮胎)用梁单元模拟,悬架部分(如稳定杆、推力杆等)用梁单元模拟,根据各个构件连接的运动关系,设定不同的MPC连接。车身骨架采用的钢材为Q345[3],车架骨架采用的钢材为Q700[4],钢材的材料属性见表1。

表1 所用钢材的参数

1.3 建立的模型

将简化好的三维模型转成stp格式导入patran软件中,确定主参考坐标系,采用1.2节中的网格类型,以网格尺寸为15～20 mm划分单元,此模型最终有470 750个节点,488 742个单元,其中包含389个0D单元,2 093个1D单元,485 438个2D单元,822个3D单元。然后赋予各单元材料属性。最终得到如图1所示的有限元模型。

图1 整车骨架有限元模型

2 有限元分析及结构改进

客车实际使用中的载荷和工况很复杂[5],但车体主要典型工况分为垂直载荷、弯扭、转弯和制动,本文对以上典型工况进行分析。

2.1 垂直载荷工况及改进

垂直载荷工况即模拟客车满载状态下[6]在水平路面匀速行驶的情况。具体方法为:约束右前轮UZ向自由度,约束左前轮UY、UZ向自由度,约束右后轮UZ、UX向自由度[7],约束左后轮UX、UY、UZ向自由度,载荷为Z向重力加速度-2g。

1) 根据计算结果显示,原结构后桥后横栅与右侧围连接部位应力为279 MPa,如图2所示;与左侧围连接部位应力为253 MPa,如图3所示。均超过了安全值220 MPa,不满足要求。

图2 改进前右侧围后轮附近骨架应力

图3 改进前左侧围后轮附近骨架应力

2) 由于原结构的部分结构强度不满足使用要求,需进行改进。这里通过改变侧围立柱的规格来加强结构,将左右立柱的规格由60 mm×50 mm×2 mm改为60 mm×50 mm×2.5 mm。再次进行计算,右侧围后轮后立柱与车架横栅连接处最大应力为213 MPa,小于安全值220 MPa,满足使用要求,如图4所示。左侧围后轮后立柱与车架横栅连接处最大应力为194 MPa,小于安全值220 MPa,满足使用要求,如图5所示。