燃料电池发动机壳体耐振动冲击性能提升方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池发动机壳体耐振动冲击性能提升方法，包括，建立有限元力学性能仿真模型；定义燃料电池发动机壳体的相对约束位置设计参数；分析在不同测试工况下壳体及燃料电池堆有限元模型的响应；对定义的各设计参数进行修改，并仿真直至得到模型响应结果集；结合燃料电池发动机壳体和燃料电池堆的结构和工作特点，确定耐振动冲击性能评价指标，建立响应结果与性能间的联系；筛选得到满足要求的设计参数范围，根据燃料电池堆的响应结果确定最优的设计参数组合；对壳体结构进行局部调整后得到壳体最终结构。本发明专利技术使壳体设计能够提高燃料电池发动机整体耐振动冲击性能。够提高燃料电池发动机整体耐振动冲击性能。够提高燃料电池发动机整体耐振动冲击性能。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池发动机壳体耐振动冲击性能提升方法


[0001]本专利技术提供一种燃料电池发动机壳体耐振动冲击性能提升方法，属于燃料电池壳体制造技术和设计方法领域。

技术介绍

[0002]氢燃料电池因其高能量密度、弱红外特性等优势在车辆领域得到应用。在车辆行驶过程中，安装在车上的燃料电池堆不可避免会受到路面不平度的影响，表现为受到机械振动与冲击。这样的输入激励会降低燃料电池堆的性能，频繁的冲击振动甚至可能导致不可逆转的性能衰减，产生不可修复的机械结构破坏。燃料电池堆抵抗冲击和振动的能力，通常被称为耐振动冲击性能。如何评估振动与冲击激励对燃料电池堆机械结构稳定性的影响，进而提高电堆耐振动冲击性能，是车用燃料电池环境适应性技术中的关键问题之一。
[0003]目前对于燃料电池发动机耐振动冲击性能的研究主要通过建立力学有限元模型，结合模型振动与冲击仿真的响应结果进行分析，再通过试验设计、学习算法等寻找最优设计参数。振动工况主要包括随机振动工况与谐振工况，冲击工况主要为对燃料电池发动机施加三个方向的冲击激励。响应结果主要关注各结构内部的应力响应。
[0004]当前对于燃料电池发动机的设计过程中，基于提高耐振动与冲击性能方面，壳体与燃料电池堆的设计过程相对独立。对壳体进行振动与冲击仿真分析时，虽然在壳体内部装配有燃料电池堆，但分析响应结果时仅考虑壳体自身的响应，而没有考虑壳体结构设计对于内部燃料电池堆耐振动与冲击性能的影响。而在燃料电池发动机受到振动与冲击时，燃料电池堆与外壳体是一个耦合的系统，两个机构通过一定结构固定连接。因此，燃料电池堆受到振动与冲击时的响应可能与壳体的诸多设计因素有关，如约束形式、壳体厚度等。在实际设计过程中，往往需要在完成整体设计后再对壳体进行优化设计，以提高燃料发动机整体的耐振动冲击性能。这样的设计迭代过程会降低设计效率，提高设计成本。
[0005]CN115169179提供了一种利用应力响应分析的电池包壳体部件尺寸设计方法，包括S1：建立电池包系统有限元模型；S2：设置电池包系统有限元模型部件参数；S3：测试在不同工况下，电池包系统有限元模型的系统应力；S4：修改电池模组有限元模型部件参数，并返回S3，直至获取若干电池包系统有限元模型的系统应力；S5搭建径向基函数神经网络模型；根据电池包系统有限元模型部件参数、电池包系统有限元模型的系统应力建立训练数据集，并对径向基函数神经网络模型进行训练，得到应力预测模型；S6利用搭建的应力预测模型预测所有电池包系统部件参数组合下的应力；S7依据预设需求条件筛选满足预设需求的电池包系统部件参数组合。该专利技术采用径向基函数神将网络模型预测应力响应随壳体部件尺寸的变化，进而确定壳体部件最优尺寸设计，解决了在不同需求下进行电池包壳体部件尺寸设计时所存在的费力，耗时，应力预测复杂的问题。但该专利技术仅考虑了壳体部件尺寸这一个设计因素，而没有考虑如壁厚、约束形式等其他设计因素对应力响应的影响；此外，仅对壳体的响应结果进行了分析，而没有考虑燃料电池堆的响应，从燃料电池发动机整体的耐振动冲击性能角度仍有提升的可能。
[0006]CN113722954A提供了一种电动汽车电池包壳体轻量化设计方法，包括：S1：建立电池包壳体有限元模型；S2：建立电池包壳体有限元模型的验证条件；S3：判断电池包壳体有限元模型是否同时满足电池包壳体有限元模型所有验证条件，若否，则重新生成电池包壳体各部件的材料属性、壁厚以及有限元模型，并返回S1，若是，则进入S4；所述材料为高强钢材料；所述材料属性包括材质、材质屈服强度、材质抗拉强度、材质弹性模量、材质泊松比、材质密度以及本构模型；S4：重复S1至S3，得到具有多种材料属性和壁厚组合的有限元模型；S5：对有限元模型进行试验设计，并优化电池包壳体各部件的材料属性。该专利技术通过对不同材料及厚度组合的有限元模型进行试验设计，得到符合目标需求的材料和厚度组合，有利于减少工程实际中复杂结构电池包壳体的试验次数，降低产品开发成本，缩短产品开发周期。但该专利技术没有考虑到约束形式的设计因素，且对振动与冲击工况的响应结果并未进行更细致的分析，仅考虑了应力响应是否满足强度要求。
[0007]CN113704921A提供了一种电动轮转子壳体轻量化设计方法，包括：基于优化后的所述转子壳体模型，获取影响转子壳体的相关参数，并采用正交实验法对影响转子壳体的相关参数进行优化设计，获取转子壳体的最佳设计方案。该专利技术能够在满足静态特性、动态特性及疲劳耐久性要求下，实现设计目标。但该专利技术同样没有考虑约束形式等设计因素的影响，响应结果方面，也仅对应力与位移量进行了分析。
[0008]CN107819138A提供了一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，包括：S1：测量电池初始结构参数，并获得电池的服役工况；S2：根据S1的得到电池结构的测量参数，建立参数化的等效刚度
‑
质量模型；S3：利用等效方法，计算得到在动载和封装力作用下的膜电极与密封件上的平均应力，对比该平均应力是否与第一步中实验测试的最佳应力相一致：若两者一致时，则进行S4；若两者不一致，则改变公式中厚度变化量和封装力的取值，重新计算后至两者一致；S4：计算膜组件与密封件上的循环应力幅值，对比S1的实验测试结果判断这两个组件上的循环应力幅值是否都减小30％以上，计算双极板BP凸台处应力是否小于双极板BP材料的屈服极限，判断BP凸台结构是否满足强度校验标准；该专利技术可以高效的分析PEMFC结构应力，从而可以高效完成凸台等结构的设。但该专利技术对燃料电池堆直接施加了外界动载荷，而没有将电堆与外壳体作为一个整体考虑，忽略了壳体对于燃料电池堆振动与冲击响应的影响。
[0009]综上，现有燃料电池壳体设计方法还有以应力响应为优化目标对壳体材料、零件厚度等设计因素进行设计优化研究，通过建立壳体的三维模型，结合有限元仿真对模型进行随机振动、定频振动、疲劳强度测试与冲击模拟实验，得到力学响应较好的材料属性以及壁厚组合；现有燃料电池单体结构设计方法通过建立燃料电池单体等效刚度模型，结合有限元方法，进行静载以及动载的应力响应分析，对密封件厚度及静载力等设计因素进行优化。但是这些方法仍有一定的局限性，现有技术未考虑约束位置等设计因素，这些也会显著影响壳体受到振动与冲击的响应，并且该技术仅针对壳体自身的耐振动冲击性能的提高，而没有考虑到壳体设计对内部电堆耐振动冲击性能的影响；另一方面，燃料电池发动机受到振动与冲击时，壳体与燃料电池堆是一个耦合的系统，壳体的结构会影响燃料电池的耐振动与冲击性能，现有技术未考虑到外界激励经壳体传导的过程，直接对燃料电池堆施加外界激励会降低仿真的准确性。
[0010]因此如果在壳体设计过程中就对耐振动与冲击性能进行考虑，且设计壳体时同时
考虑内部燃料电池堆的力学性能，就可以在设计过程中得到与燃料电池堆匹配的壳体设计，确定具有较好耐振动冲击性能的燃料电池发动机设计方案。但燃料电池堆与壳体装配好的部件内部约束结构较为复杂，燃料电池堆受到振动与冲击响应的与耐振动与冲击性能之间的关系也并不直观。这些问本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.燃料电池发动机壳体耐振动冲击性能提升方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.按照燃料电池发动机壳体和内部电堆结构，建立有限元力学性能仿真模型；S2.定义燃料电池发动机壳体的设计参数；S3.分析在不同测试工况下壳体及燃料电池堆有限元模型的响应；S4.修改S2中定义的各设计参数，并对修改后的模型分别进行不同测试工况下的仿真，直至得到各设计参数对应的模型响应结果集；S5.分析S4得到的结果集，结合燃料电池发动机壳体和燃料电池堆的结构和工作特点，确定耐振动冲击性能评价指标，建立响应结果与性能间的联系。S6.根据预先给定的目标条件筛选得到满足要求的设计参数范围，并根据燃料电池堆的响应结果确定最优的设计参数组合；S7.采用最优设计参数设计燃料电池壳体，并对壳体结构进行局部调整。2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机壳体耐振动冲击性能提升方法，其特征在于，S1具体包括以下步骤：S1.1.建立燃料电池堆三维模型；S1.2.建立燃料电池发动机壳体三维模型，壳体部件包括下壳体、壳体上盖、壳体侧盖、内部约束结构，下壳体、壳体上盖和壳体侧盖组成腔体，燃料电池堆放置在腔内，通过内部约束结构与下壳体连接，下壳体与外界支撑连接，纵向壳体侧盖有孔，供气体和液体管路通过；S1.3.根据燃料电池发动机壳体和电堆材料设置有限元模型的材料属性；S1.4.简化有限元模型的结构，修改对计算结果影响很小但增加计算量的模型局部结构；S1.5.在下部件连接位置处设置悬挂质量，在仿真过程中体现连接件对响应的影响；S1.6.对简化后的有限元模型进行网格划分并设置各部件间的约束条件；S1.7有限元模型检验。3.根据权利要求1所述的燃料电池发动机壳体耐振动冲击性能提升方法，其特征在于，S2包括以下设计参数定义：1)各壳体部件的厚度t
i
，其中i从1至6分别代表下壳体、壳体上盖、前侧盖、左侧盖、后侧盖、右侧盖；2)下壳体与外界约束的位置，通过相对位置a
out
来定义：其中是n是约束数量，a0是相邻约束间的距离，a1是壳体边长；3)下壳体与内部燃料电池堆的约束位置，通过相对位置l
in
来定义：其中l0是相邻约束间的距离，l1燃料电池堆的宽度。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏中宝，石浩，王一拓，王发成，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：