由于燃料電池車載儲氫系統(tǒng)安裝在車輛上，車輛運行過程中會受到振動和沖擊。為確保車載儲氫系統(tǒng)的安全運行，模擬車輛的實際運行狀況，可對其結構及安全性能進行仿真分析與設計。仿真分析主要包括靜強度分析、模態(tài)分析、隨機振動分析、疲勞分析和振動沖擊分析。

氫系統(tǒng)結構及安全性能仿真分析分析過程可分為以下幾步：首先建立結構的有限元模型；接著進行結構的模態(tài)分析，確定其固有頻率、振型以及敏感頻率；再計算結構的頻率響應；然后根據功能性隨機振動試驗的加速度功率譜密度曲線開展垂向、橫向和縱向的功能性隨機振動試驗仿真；之后根據長使用壽命試驗的加速度功率譜密度曲線開展垂向、橫向和縱向的長使用壽命試驗疲勞仿真；最后開展垂向、橫向和縱向的顯式動力學沖擊試驗仿真。

一、CAE 分析前處理

在進行CAE 分析前，為得到滿足需求的幾何模型，需要對車載氫系統(tǒng)的三維模型進行前處理，達到滿足需求的幾何模型，然后建立有限元模型。建立有限元模型主要包括：模型簡化、網格劃分、材料屬性定義和約束條件施加等。

1、模型簡化

一般，完整的三維模型須經過適當的簡化修改?？珊雎园惭b輔助構件的小孔、小凸臺、小倒角等小特征；忽略支架等的螺紋孔等對結構力學性能影響較小的特征；去掉一些對分析結果影響不大但結構復雜的小零件等。對于長度遠遠大于零件厚度的零件，有限元中殼單元能很好地模擬其力學特性，并且擁有高效的計算效率，因此儲氫模塊的有限元模型主要是由殼單元模擬。在實體結構中，大多數零件的連接方式為螺栓連接，分析可采用1d-bar 單元來模擬其預緊、拉壓等力學特性。氣瓶固定卡帶與氣瓶之間的橡膠墊使用實體單元來模擬。另外，若需減少計算量，對對稱模型可以僅留對稱部分的幾何模型，在邊界條件設定為對稱即可，這樣網格數量變少，計算時間縮短圖3-4 為某燃料電池電動汽車中的儲氫系統(tǒng)結構和有限元模型。

圖3-4 某儲氫系統(tǒng)結構和有限元模型

2、網格劃分

對于車載儲氫系統(tǒng)，一般劃分為殼單元。無法劃分為殼單元網格的三維幾何結構一般選用四面體和六面體結構，最好的情況是劃分成六面體網格，因為其數量少，求解快。但有時模型復雜，無法離散成六面體網格，可采用四面體網格。

3、設置材料屬性

在對結構材料設置材料屬性，進行模態(tài)和后續(xù)分析時需要對其中密度、彈性模量、泊松比、應力應變曲線進行設置，一些常見材料的參數見表3-2。材料設置過程中應考慮各物理量單位設置的一致性。

例如，在結構分析中，采用毫米（mm）、秒（s）、噸（t）作為三個基本單位，其余單位由此導出，加速度單位采用mm/s2，加速度功率譜密度單位采用mm2/s3。

表3-2 材料屬性

4、施加約束條件

約束方面，根據臺架的實際安裝情況，在系統(tǒng)結構的隨機振動分析中，對工裝孔上的所有節(jié)點施加全約束或者加載給定的加速度載荷。

二、CAE 分析

1、靜強度分析

結構靜力分析是結構設計與強度校核的基礎，主要是計算在固定不變的載荷作用下（包含由定常加速度引起的平衡慣性載荷）結構的響應（位移、應力、應變和力），不考慮阻尼的影響；靜強度分析主要是確保結構不會產生永久變形或斷裂，即對應結構應力不超過材料屈服應力或超過抗拉應力，應變不超過材料的斷裂延伸率。仿真分析時參考特定標準中結構要求的載荷工況評估儲氫模塊結構強度。

對于車載氫系統(tǒng)支架、支座、儲氫瓶綁帶，應該評估支架結構的最大應力值，最大應力小于材料的屈服極限，不會產生永久變形，滿足強度標準要求。

表3.3 加載工況

氫系統(tǒng)靜強度主要分析不同工況（如表3-3 所示為一工況案例，特定仿真則參考要求的標準擬定工況）下氫系統(tǒng)框架結構和綁帶等應力情況。通常儲氫罐綁帶螺栓處應力集中嚴重，開裂風險較大，在仿真中需要重點關注。依據強度分析結果，發(fā)現結構存在的薄弱環(huán)節(jié)，再針對薄弱環(huán)節(jié)進行改進、優(yōu)化設計。改進、優(yōu)化設計可從以下方法實現：①更換Q235B 綁帶至Q345B 材料的綁帶；②增加綁帶厚度；③綁帶形狀設計等方法。

2、模態(tài)分析

車輛行駛過程中會受到地面激勵，若車載儲氫系統(tǒng)的固有頻率與這些激勵的頻率接近，便會發(fā)生共振，從而降低車載儲氫系統(tǒng)的使用壽命。因此，需對其進行模態(tài)分析，使得車載儲氫系統(tǒng)設計過程中固有頻率避開激勵頻率，避免共振現象的發(fā)生。結構的模態(tài)分析是結構振動分析的基礎。模態(tài)也就是結構產生自由振動時的振動形態(tài)，每一個自由振動的固有頻率都對應一個振型。

模態(tài)分析是用來確定結構振動特性的一種技術，通過模態(tài)分析可以得到結構的固有頻率、模態(tài)振型和模態(tài)參與因子等信息，同時模態(tài)分析也是采用模態(tài)疊加方法對振動系統(tǒng)在激勵作用下的動態(tài)響應進行計算的基礎。因此，對于動態(tài)分析，需要全面了解模態(tài)參數，并對特定結構的固有頻率和模態(tài)振型進行計算。同時通過對系統(tǒng)模態(tài)的求解并獲取固有頻率，在設計中應避開共振頻率和選擇合適的安裝位置等方面有重要的作用。因此，模態(tài)分析用以確定模型的固有頻率及振型，然后在模態(tài)分析的基礎上進行隨機振動分析，以確定模型在隨機振動載荷下的響應情況。

3、隨機振動及疲勞分析

汽車行駛在凹凸不平道路上，極易遭受來自路面不平度引發(fā)的沖擊載荷，使車載儲氫系統(tǒng)受到豎直方向的振動。由于路面不平度是一種隨機變量，每一條道路都有其特有的不平度，所以汽車振動為隨機振動。這樣，作用在車載儲氫系統(tǒng)上的載荷是隨機振動載荷，致使車載儲氫系統(tǒng)結構損壞的因素可能是路面隨機激勵的長時間作用而引發(fā)的疲勞失效，或是在凹凸不平的路面上運行時車載儲氫系統(tǒng)的動強度不足。因此，對車載儲氫系統(tǒng)進行隨機振動分析，在工程實際中有非常重要的現實意義。

隨機振動分析可利用仿真軟件的隨機振動模塊，完成對系統(tǒng)的功能性隨機振動分析。先根據模型進行模態(tài)分析，得到模態(tài)頻率和振型，然后根據所承受的隨機振動條件，設置模型功率譜密度曲線，并設置相應的阻尼參數，振動分別沿X、Y、Z 三個方向，分析不同隨機載荷下系統(tǒng)的均方根位移、均方根應力和均方根加速度響應。

車載氫系統(tǒng)主要由鋁合金型材、鋁合金板材和綁帶支架等部件通過焊接或螺栓預緊等方式組合而成。由于汽車行駛工況復雜，為了進一步確定其使用壽命是否滿足要求，對其進行疲勞模擬。根據特定參考標準的要求，分別計算系統(tǒng)在X、Y、Z 三個激勵工況下的支架結構應力，結合材料的S-N 曲線計算結構疲勞損傷，評判結構的疲勞壽命水平。通過換算把單位時間結構的損傷，轉化為結構的試驗壽命。

4、沖擊強度分析

由于燃料電池車載儲氫系統(tǒng)安裝在車輛行駛過程中會受到大加速度載荷瞬態(tài)沖擊。為驗證系統(tǒng)抵抗沖擊的性能，對車載儲氫系統(tǒng)，按擬仿真的參考標準施加一系列持續(xù)時間為D、峰值為A 的單個半正弦脈沖。

在求解過程中，主要關注氣瓶支架和綁帶在載荷下的響應，監(jiān)測應力應變分布的情況，同時獲得結構的應力和相應的阻尼參數。分析結構的最大應力值是否小于材料屈服應力，最大應變是否小于材料斷裂延伸率，進而判斷氫系統(tǒng)是否存在沖擊破壞的風險。

5、優(yōu)化設計

設計優(yōu)化是在給定約束條件下，按某種目標(如重量最輕、成本最低、剛度最大等)求出最好的設計方案。優(yōu)化的三大要素包括：設計變量（自變量，每個設計變量都有上下限，定義了設計變量的變化范圍）；約束條件（因變量，設計變量的函數，可以有上下限，也可以只有上限或者下限）；目標函數（結構優(yōu)化的約束條件一般有幾何約束條件和性態(tài)約束條件兩種）。例如，對燃料電池車載儲氫系統(tǒng)中的支架進行設計優(yōu)化，在軟件中把支架質量定義為目標函數；把支架的厚度定義為設計變量；把支架的最大應力定義為約束條件。軟件將求解出滿足各種定義工況下應力標準的支架最小質量對應的支架厚度。