燃料电池汽车轻量化技术研究

摘要

由于能源危机和环境问题的日益突出，现阶段世界各国均十分关注新型能源汽车技术。其中，燃料电池电动汽车(FCEV)具有节能和清洁双重优势，成为当前新能源汽车技术中，最有前途的解决方案之一。我国在燃料电池汽车的研究走在了世界的前列，目前研制成功的“超越三号”燃料电池轿车各项性能指标都达到了世界先进水平。但是由于燃料电池汽车的特殊性，使得整车结构设计和总布置存在很多困难，而且整车质量较传统汽车大大增加。这些对燃料电池汽车的性能影响重大，尤其是超重。 因此本文从燃料电池轿车“超越三号”轻量化研究入手，详细说明了汽车轻量化对能源、环境和汽车(尤其是燃料电池汽车)性能的重要意义。进而指出了“超越三号”整车轻量化研究的整体思路。由于时间和条件的限制，本文主要介绍了当今世界先进汽车轻量化设计的概况和作用，包括轻量化材料的使用和计算机辅助结构分析和优化。接下来主要介绍了目前汽车用轻量化材料的使用情况和性质。接着结合“超越三号”的具体情况，对其白车身进行结构分析与优化，即在验证和指出了原车的性能和问题的基础上，对白车身修改件进行优化分析，使得白车身自重大大降低。这些都建立在白车身性能不受影响的基础之上。然后，本文对原车设计的副车架进行全方面分析和校核，研究副车架工作环境和特性。在优化软件的协助下，对原副车架进行结构优化和重新设计。对新设计的副车架进行校核，并且进行疲劳仿真分析。经过与实验对比分析得出，新副车架在轻量化的同时各项性能都较原件有很大的改善。最后，本文分析了汽车轻量化的发展前景，为燃料电池汽车的轻量化项目的进一步开展提出了建议。 本文融合了轻量化与燃料电池汽车这两个未来汽车发展的主要趋势和概念，具有非常重大的科研和现实意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1汽车轻量化的时代背景及国内外发展现状

1.2燃料电池车轻量化的紧迫性

1.3燃料电池车轻量化的整体思路

第二章车用轻量化材料

2.1铝合金

2.2镁合金

2.3高强度钢板

2.4塑料

2.5复合材料

2.6其他轻量化材料

第三章结构优化设计方法介绍

3.1结构优化设计介绍

3.2有限元法简介

3.3 OptiStruct优化分析理论

3.4 CAD软件--UG

3.5 CAE软件--Hyperworks

3.6计算机辅助进行结构优化设计

第四章超越三号车身初步结构方案刚强度和模态分析及优化

4.1超越3号燃料电池轿车车身结构方案

4.2超越3号车身有限元模型的建立

4.3超越3号车身强度分析

4.3.1实际弯曲工况

4.3.2实际弯扭工况

4.4超越3号车身刚度分析及对比

4.4.1试验弯曲工况

4.4.2试验扭转工况

4.5超越3号车身模态分析

4.6超越3号燃料电池轿车车身初步方案轻量化优化设计

4.6.1优化变量、约束和目标的确定

4.6.2基于弯曲和扭转工况的变量优化

4.6.3弯曲和扭转工况下优化变量的灵敏度分析

4.6.4优化变量最终取值的确定

4.7优化后刚强度和模态校核

4.7.1优化后刚度校核

4.7.2优化后强度校核

4.7.3优化后模态校核

第五章燃料电池轿车副车架结构分析及优化

5.1副车架结构及其在整车中的位置

5.2副车架有限元模型的建立

5.3副车架的载荷确定及计算

5.4四种工况下副车架的载荷情况

5.5现副车架刚度，强度分析

5.6复合工况下的副车架拓扑优化

5.6.1拓扑优化空间的确定

5.6.2拓扑优化空间有限元模型的建立

5.6.3优化约束、目标的确定

5.6.4优化结果

5.7新副车架的设计

5.8新副车架有限元模型的建立

5.9使用轻量化材料优化设计新副车架

5.9.1轻量化材料的选取

5.9.2以镁合金AZ91D作为轻量化材料对副车架进行结构尺寸优化

5.9.3以铝合金作为轻量化材料对副车架进行结构优化

5.9.4以高强度钢作为轻量化材料对副车架进行结构优化

5.9.5四种方案的副乍架模态分析及对比

5.9.6优化结果评估

5.10副车架疲劳试验及分析

5.10.1副车架振动疲劳试验

5.10.2疲劳概念及基本理论

5.10.3副车架疲劳断裂仿真分析

5.10.4结论

第六章总结与展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果