车载氢系统振动疲劳仿真分析

王传谊

1摘要

燃料电池汽车绿色节能，是真正的零排放交通工具，全国各地乃至全球均在大力推广【1】。在常温常压下，氢气是一种极易燃烧的气体，作为燃料电池的“燃料库”，车载氢系统的安全性极其重要。本文将在燃料电池汽车氢系统的振动疲劳角度对其框架的安全性进行分析讨论。

2现状

为提高车载氢系统的安全性可靠性，我国出台相关标准，其中最重要的三个为：GB/T 24549燃料电池电动汽车 安全要求、GB/T 26990《燃料电池电动汽车车载氢系统技术条件》、GB/T 29126《燃料电池电动汽车 车载氢系统试验方法》，这三个标准涵盖了车载氢系统的设计要点和安全性指标【2】，但仍缺少实际工况对于车载氢系统的影响，为此本文将通过ANSYS WORKBENCH和NCODE两个仿真软件，对车载氢系统在振动疲劳工况下的安全性进行讨论。

3分析目的

由于燃料电池车载储氢系统安装在物流车辆上，在车辆运行过程中会有一定的冲击和晃动【3】。为确保车载储氢系统的结构强度以及运行质量，现运用ANSYS Workebench和Ncode根据燃料电池汽车实际使用中车载氢系统可能遇到的工况对车载氢系统框架进行仿真分析。

4分析方案

（1）应用SolidWorks建立氢系统框架的三维数模，应用ANSYS软件建立有限元模型，进行结构的谐响应分析，应用Ncode进行振动疲劳仿真分析。

（2）根据燃料电池汽车实际使用中车载氢系统可能遇到的工况，给定合适的边界条件和载荷，本仿真分析为结构的振动疲劳仿真，应用ANSYS和Ncode联合仿真来实现。

（3）进行结构的振动疲劳仿真分析，从而得到结构的振动疲劳分析结果。

5有限元模型的建立

本次分析中，选用ANSYS软件建立有限元模型，包括模型的修改与简化，网格的划分，材料属性的定义以及约束条件的施加等。

5.1模型的修改与简化

原三维模型经过适当的简化修改以满足ANSYS运算需要。为此，对给定的三维模型进行了修改与简化【4】：忽略安装辅助构件的小孔、小凸台、倒角等小特征；忽略支架等的螺纹孔等对结构力学性能影响较小的特征；去掉一些对分析结果影响不大但结构复杂的小零件等，去除相关附件，保留支架主体等主要结构，得到用于有限元分析的简化模型，并将其导入ANSYS中，将气瓶简化为质点与瓶托连接。

5.2网格划分

储氢模块框架结构主要由Q235焊接而成，在ANSYS中采用mesh来进行网格划分，对应力集中点进行细化，网格质量大于0.7，最后得到的模型共包含119476个节点，19067个单元

5.3施加边界条件

根据车载氢系统的实际安装情况，在系统结构的谐响应仿真分析中，选取框架底部横、纵梁的底面作为固定连接点，如图5中（1）所示。对氢系统框架施加1g的重力约束，根据燃料电池汽车实际使用中车载氢系统可能遇到的工况，分别在X\Y\Z方向对系统施加加速度载荷并确定扫频范围，对其进行谐响应仿真，然后对三个方向的仿真分别确定工况条件，进行振动疲劳仿真。

5.4定义结构的材料属性

在ANSYS 中对框架材料设置材料属性，进行模态和后续分析时需要对其中密度、杨氏模量、泊松比进行设置。

6振动疲劳仿真分析

6.1X方向

在系统X方向施加9m/s2加速度载荷，扫频范围设置为5-200HZ，仿真后的应力和形变结果如下图所示:

图1 氢系统框架应力分布图

图2 氢系统框架形变分布图

根据仿真的结果，框架的最大应力为49.959MPa<117MPa，最大变形量为0.4535mm，符合要求。

根据燃料电池汽车实际使用中车载氢系统可能遇到的工况，施加载荷后进行振动疲劳仿真，寿命云图如下：

图3 氢系统框架寿命云图

根据仿真的结果，框架中个别位置因软件计算问题出现应力集中导致寿命低，大部分位置在《零部件技术要求》中要求的载荷作用下，循环次数可以达到无限次，故此系统框架合格。

6.2 Y方向

在系统Y方向施加12m/s2加速度载荷，扫频范围设置为5-200HZ，仿真后的应力和形变结果如下图所示:

图4 氢系统框架应力分布图

图5 氢系统框架形变分布图

根据仿真的结果，框架的最大应力为53.841MPa<117MPa，最大变形量为0.093482mm，符合要求。

根据燃料电池汽车实际使用中车载氢系统可能遇到的工况，施加载荷后进行振动疲劳仿真，寿命云图如下：

图6 氢系统框架寿命云图

根据仿真的结果，该系统框架在《零部件技术要求》中要求的载荷作用下，循环次数可以达到无限次，故此系统框架合格。

6.3 Z方向

在系统Z方向施加14m/s2加速度载荷，扫频范围设置为5-200HZ，仿真后的应力和形变结果如下图所示:

图7 氢系统框架应力分布图

图8 氢系统框架形变分布图

根据仿真的结果，框架的最大应力为15.089MPa<117MPa，最大变形量为0.24788mm，符合要求。

根据燃料电池汽车实际使用中车载氢系统可能遇到的工况，施加载荷后进行振动疲劳仿真，寿命云图如下：

图9 氢系统框架寿命云图

根据仿真的结果，框架中个别位置因软件计算问题出现应力集中导致寿命低，大部分位置在《零部件技术要求》中要求的载荷作用下，循环次数可以达到无限次，故此系统框架合格。

7总结

本文以符合燃料电池汽车的实际使用工况为依托，在震动疲劳的角度对车载氢系统的安全性提出了虚拟仿真的设计分析方案。根据上述方案的仿真研究，得到以下结论：

（1）本文对车载氢系统在X、Y、Z三方向不同工况下进行谐响应仿真，得到了车载氢系统在严苛工况下的应力和应变，数据显示均符合设计要求。

（2）车载氢系统的NCODE仿真分析结果显示，在X、Y、Z三方向不同工况下车载氢系统可以长时间使用，符合设计要求。

（3）文中车载氢系统的设计存在强度寿命过大过长的现象，需要进一步优化结构，在保证强度和寿命的前提下对车载氢系统进行轻量化。

参考文献

【1】问朋朋，黄明宇，倪红军 贾中实.燃料电池车发展概况及展望[J]电源技术，2012 36(4):596-598

【2】杨沄芃，孟德宇，郭婷 燃料电池汽车车载氢系统测试标准[J] 客车技术与研究. 2020,42(04)：60-62

【3】李锦康，车载供氢系统氢气瓶固定装置有限元建模及结构优化[J]知网，北京交通大学[J] 2021,(03)

【4】陶孟章，燃料电池轿车储氢系统固定方式正面碰撞分析[J] 2009,(06) 6-9

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