摘 要

随着石油资源的消耗与温室效应的日趋严重，人们迫切需要一种节能环保、安全且可再生的能源来替代燃油的地位，以氢燃料为能源的燃料电池汽车引起了越来越多国家的关注。但由于氢燃料电池汽车与传统汽车相比内部各个部件较多，且整体的重量也远远超过了传统燃油车，这不仅给生产带来了巨大的麻烦，还直接导致了氢燃料汽车的整车速度性能与续航性能都低于一般车辆，且国内生产氢燃料电池汽车的厂商相比于国外较少，因此，设计一款具有良好承重性能的氢燃料汽车车架并对其进行重量上的优化势在必行。

本文主要从氢燃料电池汽车的发展入手，分析了国内外氢能源汽车从整车到车架的发展差异，介绍了主要用到的有限元分析法与有限元分析软件，之后阐述了依据国家设计标准的车架设计与SOILDWORKS车架建模过程，并利用ANSYS软件对设计的车架进行强度、刚度与模态的分析校核，最后利用校核的结果对车架进行拓扑优化减少车架的自重。

本文主要融合了氢燃料电池汽车的车架设计与车架优化，这两个方面是未来氢燃料电池汽车发展的必经之路，具有重要的现实意义。

关键词：氢燃料电池汽车；有限元分析；车架；ANSYS；优化设计

STRUCTURAL DESIGN AND OPTIMIZATION OF HYDROGEN FUEL SELL VEHICLE FRAME

ABSTRACT

With the increasingly serious consumption of oil resources and greenhouse effect, people urgently need a kind of energy saving, environmental protection, safety and renewable energy to replace the position of fuel oil. Fuel cell vehicles with hydrogen fuel as energy have attracted more and more countries' attention. But as a result of hydrogen fuel cell car compared with the traditional auto interior parts, and the weight of the whole is far more than the traditional fuel vehicles, which not only brought great trouble to the production, also led directly to the vehicle speed and endurance of hydrogen fuel cars performance are lower than that of general vehicles, and domestic production of hydrogen fuel cell car manufacturers less than abroad, therefore, design a good bearing performance of hydrogen fuel truck frame and the optimization of its weight is imperative.

This thesis mainly starts from the development of hydrogen fuel cell vehicles, hydrogen energy vehicles at home and abroad are analyzed from the vehicle to the development of the frame difference, this paper introduces the main use of the finite element analysis method and finite element analysis software, then expounds the basis for national design standard frame design and SOILDWORKS frame modeling process, and by using ANSYS software to design the frame of strength, stiffness and modal analysis, finally, using the results of the check for topology optimization of frame to reduce the weight of the frame.

This thesis mainly integrates the frame design and frame optimization of hydrogen fuel cell vehicle. These two aspects are the only way for the development of hydrogen fuel cell vehicle in the future and have important practical significance.

KEYWORDS：Hydrogen fuel cell vehicle; FE analysis; frame; ANSYS; optimized design

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪 论 １

1.1研究的背景 １

1.2研究的目的与意义 １

1.3国内外研究现状 ２

1.4主要研究内容与技术方案 ３

第2章有限元法与ANSYS软件介绍 ５

2.1有限元法的发展与应用 ５

2.2有限元法的原理及基本思路 ６

2.3ANSYS软件介绍 ６

2.3.1ANSYS软件概述 ６

2.3.2ANSYS软件的组成部分 ７

2.4本章小结 ７

第3章车架的设计与建模 ８

3.1车架设计概述 ８

3.2车架实体建模 ８

3.2.1纵梁的建模 ９

3.2.2横梁的建模 １０

3.3本章小结 １２

第4章车架的强度与刚度校核 １３

4.1车辆的载荷分析 １３

4.2车辆的强度分析 １３

4.3车架刚度分析 ２３

4.4本章小结 ２４

第5章车架模态分析 ２６

5.1模态分析概述 ２６

5.2车架的模态分析 ２６

5.3本章小结 ３１

第6章车架结构的拓扑优化 ３２

6.1拓扑优化概述 ３２

6.2车架的拓扑优化 ３２

6.3本章小结 ３４

结论 ３５

致谢 ３６

中外文参考文献 ３７

附 录 ３９

附录A车架工程图 ３９

1. 绪 论

1.1研究的背景

随着人类社会的发展，对于汽车的需求逐年增加，传统燃油车的大量使用导致石油资源的枯竭，而由于汽车产生的废气排放所造成的温室效应，正在侵蚀着地球的环境。汽车，作为人们生活中最为重要的交通工具之一，人们无法将其舍弃，于是在人们迫切需要一种环保的替代方案时，氢燃料电池汽车应运而生。

氢是一种可再生资源，它能很好的解决能源匮乏问题，通过氢或者含氢的物质与氧在燃料电池中的结合产生电能，然后将电能再转换成机械能，实现零污染排放，另外氢作为燃料使用，它的安全性与高效性远超石油能源，并且氢燃料电池汽车的各项车辆基本性能指标也都可以与传统燃油汽车媲美。

由于氢燃料电池汽车的驱动方式与传统汽车并不相同，其内部的结构也有所区别，所以车架的结构也要相应地进行更改，现阶段生产厂家主要采取三种车架设计方法：制作电动车专用车身结构、在传统轿车基础上的改制电动车车身结构与使用平台式电动车车身结构。第一种车型需要进行全面的设计，包括外部造型和车身结构设计，但由于受到现今生产工艺的限制，使用这种结构在短期内还难以实现大规模生产；第二种方法是现阶段主要生产模式，但受到原有车型的限制，使得车辆结构设计也遇到了许多问题；第三种车型则是电动轿车发展的中长期目标，现阶段的技术还不够成熟。

随着计算机的发展，人们对于产品的设计，渐渐从手动图纸的绘制转变为利用软件进行建模，而涉及到产品模型的分析，有限单元法随之诞生。有限元法的基本思想，是利用一组离散的单元集，来替代实际中的连续机构进行计算。有限元法最初运用于产品静态分析与动态分析，也就是强度与刚度的分析与模态震动分析，后来用于磁场、流体与热能等方面的分析，将实际问题放入电脑上进行仿真计算，减少了设计工作者的工作量，是现在汽车、船舶与航天多生产领域必备的技术手段。

1.2研究的目的与意义

在各国都对氢燃料电池汽车项目提供政策与经济扶持时，氢燃料汽车的弊端也随之浮现，由于氢燃料汽车与传统汽车的内部结构不同，没有传统汽车内部的油箱与内燃机等部件，取而代之的是储氢罐、储氧罐、电堆与蓄电池等部件，整个车体的重量随之而增加，整体上来说，同型号的车辆中，氢燃料汽车的重量比普通燃油汽车多了三分之一左右，因此不能够直接使用针对传统车辆设计的车架，而需要针对氢燃料汽车的部件承重、应力分布与约束分布，在各个工况下重新设计出强度、刚度与模态都符合要求的汽车车架，来保证车架的寿命。^[1]