CN108491589B - 一种车载供氢系统框架结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池汽车供氢系统领域，具体涉及一种车载供氢系统框架结构的设计方法，主要解决的技术问题是现有技术中燃料电池汽车车载供氢系统结构结构应力分布不合理，结构动静态特征差，结构局部安全冗余度过剩，结构材料浪费，结构设计研发费用过高，设计过程复杂，设计效率低下的问题；为了解决上述技术问题，本发明公开了一种车载供氢系统框架结构的设计方法，包括以下步骤：建立三维模型，定义材料属性，定义单元类型，定义边界条件，设置优化区域，设置目标函数，执行迭代优化，分析验证优化设计结果。

Description

一种车载供氢系统框架结构的设计方法

技术领域

本发明涉及燃料电池汽车供氢系统领域，具体涉及一种车载供氢系统框架结构的设计方法。

背景技术

燃料电池汽车的自重对车辆性能有着很大的影响，在保证车辆相关性能指标的前提下充分减重能进一步提高车辆的相关性能；对于燃料电池汽车车载供氢系统结构的设计而言，现有技术主要是根据工程经验进行初步设计，设计完成后再进行有限元分析、试验验证，基于现有技术设计的车载供氢系统结构，结构应力分布大概率不合理，结构动静态特征较差，且在分析、试验通过的情况下，会造成局部设计安全冗余度过剩，导致材料的浪费；若进行试验次数较多，在一定程度上增加了研发费用，复杂化了设计过程，导致设计效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中燃料电池汽车车载供氢系统结构结构应力分布不合理，结构动静态特征差，结构局部安全冗余度过剩，结构材料浪费，结构设计研发费用过高，设计过程复杂，设计效率低下的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车载供氢系统框架结构的设计方法，其包括以下步骤：

S1.通过三维软件建立待拓扑优化的供氢系统结构的三维模型并将模型定义为同一个实体，然后输出几何模型文件，在应力分析软件中识别几何模型文件即可进行详细的拓扑优化分析和有限元分析；

S2.定义模型的材料属性，定义拓扑优化单元类型为SOLID95单元，并将要优化分析区域的材料单元类型TYPE设置编号为1，不优化区域的单元设置为其他编号，同时定义模型的边界条件，采用应力分析软件能够自动选择合适的单元类型进行分析计算；

S3.设定多工况边界条件，建立多工况载荷文件，在拓扑优化中综合考虑多个工况的综合作用，并在拓扑优化分析之前完成静力结构分析的计算；

S4.设置优化区域，设置目标函数，并执行迭代优化，根据拓扑结果的结构趋势，采用方钢来布置框架结构；

S5.对框架结构的动静态特性进行有限元分析或试验，如果不能满足要求则重新执行S4。

上述技术方案中，优选地，在步骤S1中所述三维模型包括：顶部盖板、前面板、气瓶支撑板、气瓶固定板、后面板、斜撑；其中，气瓶通过所述气瓶固定板固定，所述气瓶固定板与所述气瓶支撑板通过焊接或者螺栓连接，所述气瓶支撑板固定在所述前面板和所述后面板上，所述斜撑固定在所述后面板上并用于支撑所述后面板，所述后面板上有用于保证燃料电池安装安装空间的缺口。

更优选地，在步骤S2中，所述材料属性为：材料名称：Q235，材料密度：7580kg/m^3，材料杨氏模量：210GPa，材料泊松比：0.3。

更优选地，在步骤S2中，所述边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件，其中所述约束边界条件：所述前面板和所述后面板为固定约束；

所述载荷边界条件：定义单个氢瓶组合重量为M_氢瓶组，定义其余框架部分重量M_框架，取冲击力为+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z 6个方向恒定的8g加速度作用力，其中F_氢瓶组＝M_氢瓶组*8*g，将F_氢瓶组的力均匀施加到所述气瓶固定板的上表面上，根据不同方向的冲击工况，定义其方向,如在X方向的冲击时，将F_氢瓶组向设置为X向；其中F_框架＝M_框架*8*g，在X冲击工况下，将F_框架的力均匀施加到所述前面板、所述后面板、所述顶部盖板的-X向的表面上，并定义方向为+X；在-X冲击工况下，将F_框架的力均匀施加到所述前面板、所述后面板、所述顶部盖板的+X向的表面上，并定义方向为-X；在Y冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述后面板的-Y向的表面上，并定义方向为+Y；在-Y冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板的+Y向的表面上，并定义方向为-Y；在-Z冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板和所述后面板的+Z向的表面上，并定义方向为-Z；在+Z冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板和所述后面板的+Z向的表面上，并定义方向为+Z。

更优选地，在步骤S4中，所述优化区域为单元类型编号为1的区域，进一步地，拓扑优化的区域可取边界约束以外的所有区域。

7.更优选地，在步骤S4中，所述目标函数为：

基于变密度法，以体积减少量为约束条件，以模型最大刚度为目标函数，即在体积减少的同时，保证结构的最大刚度，拓扑优化结果以单元的伪密度显示，单元密度高则应保留此单元，单元密度低则可去除此单元，保留和去除根据所定义的体积减少量确定，其中，按一定梯度设多个所述体积减少量，如50％、60％、70％等；

其中拓扑优化的数学模型如下：

目标函数Uc＝min

约束函数0＜η_i≤1

V≤V0–V’

其中：

Uc：柔量能量，与刚度成反比，Uc最小，则刚度最大，

η_i：第i个单元的伪密度，i＝1,2,3...，

V：优化后体积；V0：原体积；V’：去除的体积。

本发明的技术效果在于，只需要确定框架结构的外形尺寸、氢瓶尺寸，即可通过拓扑优化来确定大致框架结构，进一步将车载供氢系统的工况条件反映到拓扑分析的边界条件上，则可直接得到框架结构的桁架架构，大大提高了设计的效率和质量，而且可以减少杀机完成后仿真及试验的次数，降低设计成本。

附图说明

图1是本发明一种车载供氢系统框架结构设计方法的流程图

图2是本发明一种车载供氢系统框架结构设计方法的待拓扑优化的三维模型

图3是本发明一种车载供氢系统框架结构设计方法的有限元模型

图4是本发明一种车载供氢系统框架结构设计方法的拓扑优化结果

图5是本发明一种车载供氢系统框架结构设计方法的框架结构设计示意图

附图2中：

1、顶部盖板 2、前面板 3、气瓶支撑板

4、气瓶固定板 5、后面板 6、斜撑

具体实施方式

为了使本发明解决的技术问题以及技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细说明。应当明晰，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以市场上现有140L三瓶组车载系统为例，待拓扑优化的三维模型如图2所示，其中瓶重约80kg，充注氢气约3.5kg，单个氢瓶组合M_氢瓶组＝95.5kg，其余结构部分重量M_框架≈380kg。

其中F_氢瓶组＝M_氢瓶组*8*g＝7487.2N，将F_氢瓶组的力均匀施加到所述气瓶固定板4的上表面上，根据不同方向的冲击工况，定义其方向,如在X方向的冲击时，将F_氢瓶组向设置为X向；其中F_框架＝M_框架*8*g＝29792N，在X冲击工况下，将F_框架的力均匀施加到所述前面板2、所述后面板5、所述顶部盖板1的-X向的表面上，并定义方向为+X；在-X冲击工况下，将F_框架的力均匀施加到所述前面板2、所述后面板5、所述顶部盖板1的+X向的表面上，并定义方向为-X；在Y冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述后面板5的-Y向的表面上，并定义方向为+Y；在-Y冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板2的+Y向的表面上，并定义方向为-Y；在-Z冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板2和所述后面板5的+Z向的表面上，并定义方向为-Z；在+Z冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板2和所述后面板5的+Z向的表面上，并定义方向为+Z。

当施加力载荷导致计算问题时，可以通过面压力加载，得到压力P_氢瓶组＝F_氢瓶组/A_氢瓶支座，P_框架＝F_框架/A_加载面，其中P_氢瓶组为氢瓶组合件在加速度冲击时产生的压力值，P_框架为框架在加速度冲击时产生的压力值，A_氢瓶支座为氢瓶组合件支撑结构的受力面积，A_加载面对应F_框架时加载面的面积。

最终建立的有限元模型如图3所示。

基于变密度法，以体积减少为约束条件，求解拓扑结构的最大刚度，最后通过静力分析校核原模型，按照此拓扑思路，建立拓扑优化的分析流程如图1所示。

优化区域定义：将所述前面板2和后面板5的上下左右四个面、斜撑6的底面定义为优化区域；其余为非优化区域。

在拓扑优化分析模块中，定义最大迭代步数为50步，定义收敛精度为0.001，拓扑优化结果如图4所示。

结合工程经验，根据拓扑优化的结果，采用方钢等标准材料，进行框架结构设计，按照拓扑框架，用规则的材料搭建框架，此时需要考虑氢瓶的安装方式，管路的布置，燃料电池、冷却设备、控制器等的安装位置。如图4拓扑结果可以看出主要支撑在重心较低处，且支撑位斜撑较为适宜，不同于一般矩形框架的规则设计，根据拓扑优化结果设计的框架结构如图5所示。

设计完成后，对框架进行动静态特征方面的有限元仿真分析和试验，再根据细节部分进行微调，譬如增加某些加强梁、加强腹板等，调整支撑杆件的位置等，优化后完成最终设计。

尽管以上对本发明的具体实施方式进行了说明性描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种车载供氢系统框架结构的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1.通过三维软件建立待拓扑优化的供氢系统结构的三维模型并将模型定义为同一个实体，然后输出几何模型文件，在应力分析软件中识别几何模型文件即可进行详细的拓扑优化分析和有限元分析；

S2.定义模型的材料属性，定义拓扑优化单元类型为SOLID95单元，并将要优化分析区域的材料单元类型TYPE设置编号为1，同时定义模型的边界条件，采用应力分析软件能够自动选择单元类型进行分析计算；

S3.设定多工况边界条件，建立多工况载荷文件，在拓扑优化中综合考虑多个工况的综合作用，并在拓扑优化分析之前完成静力结构分析的计算；

S4.设置优化区域，设置目标函数，并执行迭代优化，根据拓扑结果的结构趋势，采用方钢来布置框架结构；

S5.对框架结构的动静态特性进行有限元分析或试验，如果不能满足要求则重新执行步骤S4。

2.根据权利要求1所述的一种车载供氢系统框架结构的设计方法，其特征在于：在步骤S1中的所述三维模型包括：顶部盖板、前面板、气瓶支撑板、气瓶固定板、后面板、斜撑；其中，气瓶通过所述气瓶固定板固定，所述气瓶固定板与所述气瓶支撑板通过焊接或者螺栓连接，所述气瓶支撑板固定在所述前面板和所述后面板上，所述斜撑固定在所述后面板上并用于支撑所述后面板，所述后面板上有用于保证燃料电池安装空间的缺口。

3.根据权利要求2所述的一种车载供氢系统框架结构的设计方法，其特征在于：在步骤S2中，所述材料属性为：材料名称：Q235，材料密度：7580kg/m^3，材料杨氏模量：210GPa，材料泊松比：0.3。

4.根据权利要求3所述的一种车载供氢系统框架结构的设计方法，其特征在于：在步骤S2中，所述边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件，

其中所述约束边界条件：所述前面板和所述后面板为固定约束；

所述载荷边界条件：定义单个氢瓶组合重量为M_氢瓶组，定义其余框架部分重量M_框架，取冲击力为+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z 6个方向恒定的8g加速度作用力，其中F_氢瓶组＝M_氢瓶组*8*g，将F_氢瓶组的力均匀施加到所述气瓶固定板的上表面上，根据不同方向的冲击工况，定义其方向；其中F_框架＝M_框架*8*g，在X冲击工况下，将F_框架的力均匀施加到所述前面板、所述后面板、所述顶部盖板的-X向的表面上，并定义方向为+X；在-X冲击工况下，将F_框架的力均匀施加到所述前面板、所述后面板、所述顶部盖板的+X向的表面上，并定义方向为-X；在Y冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述后面板的-Y向的表面上，并定义方向为+Y；在-Y冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板的+Y向的表面上，并定义方向为-Y；在-Z冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板和所述后面板的+Z向的表面上，并定义方向为-Z；在+Z冲击工况下，将F_框架的力均匀施加所述前面板和所述后面板的+Z向的表面上，并定义方向为+Z。

5.根据权利要求4所述的一种车载供氢系统框架结构的设计方法，其特征在于：在步骤S4中，所述优化区域为单元类型编号为1的区域，进一步地，拓扑优化的区域可取边界约束以外的所有区域。

6.根据权利要求5所述的一种车载供氢系统框架结构的设计方法，其特征在于：在步骤S4中，所述目标函数为：

基于变密度法，以体积减少量为约束条件，以模型最大刚度为目标函数，即在体积减少的同时，保证结构的最大刚度，拓扑优化结果以单元的伪密度显示，单元密度高则应保留此单元，单元密度低则可去除此单元，保留和去除根据所定义的体积减少量确定，其中，按梯度设多个所述体积减少量；

其中拓扑优化的数学模型如下：

目标函数Uc＝min

约束函数0＜η_i≤1

V≤V0–V’

其中：

Uc：柔量能量，与刚度成反比，Uc最小，则刚度最大，

η_i：第i个单元的伪密度，i＝1,2,3...，

V：优化后体积；V0：原体积；V’：去除的体积。

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