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中型载货氢燃料电池车车架的结构设计及优化
| 论文题名： | 中型载货氢燃料电池车车架的结构设计及优化 |
| 关键词： | 氢燃料电池车;车架;多目标优化;静动态特性分析;尺寸优化 |
| 摘要： | 在交通运输行业，氢燃料电池车是我国能源转型发展的排头兵，其排放无污染的优点是传统燃油车所不可企及的。作为货车的重要承载基体，车架性能的优劣直接影响整车行驶的安全性和平顺性。由于车架的设计不完全是能通过某种精确理论就可具有最佳的使用性能，而是需要进行多种的设计、分析及试验验证。 本课题依托山西省科技重大专项——中型载货车平台燃料电池动力系统与整车集成技术，针对整车动力系统布置形式、使用工况要求等特点，引入拓扑优化和尺寸优化技术，对氢燃料电池货车车架进行专用化设计。 首先，以某中型氢燃料电池货车为研究对象，在能量上建立与原车架等价的有限元模型。选择四种典型静态工况校核原车架静态强度，提取原结构低阶振动模态参数进行动态特性评估，并通过试验模态分析验证了仿真模型的可靠性。 之后，保留储氢装置、燃料电池、动力电池等大结构附属连接架，基于原车架外廓尺寸建立结构拓扑优化初始模型。根据折衷规划法和功效函数法将静态多工况高刚度优化问题转为研究结构柔度最小化，而动态低阶固有频率则采用谱变换法求其最大平均特征值。通过构造统一的单目标优化评价函数，解决静动态多目标优化方向存在的混合性问题。采用带有惩罚因子的SIMP模型，在Optistruct软件中完成变密度拓扑优化。根据拓扑结构，重新进行新车架的结构设计和静动态特性分析。 最后，在横纵梁及连接板灵敏度分析的基础上，对新车架进行板厚方向上的尺寸优化。最终设计出的新车架质量减轻了12.3%，静态最危险工况的峰值应力下降了35.9%，动态最低阶频率提高了2.2Hz，静动态特性明显优于原车架，实现了中型载货氢燃料电池车车架结构的专用化和轻量化设计。 |
| 作者： | 李艳星 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王铁 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 太原理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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