摘要：在氢燃料电池系统冲击振动试验中，振动工装设计是否合理决定了振动试验是否平顺，系统结构是否安全。设计合理的依据在于工装在试验中不能发生共振，即工装固有频率大于振动频率。然而大功率氢燃料系统振动工装的固有频率很难满足这一要求，因为体积大、尺寸大，导致振动工装本身刚度和固有频率较低，极易发生共振，从而影响着试验。因此为了使得振动工装符合振动要求，通过有限元仿真方法，不断迭代优化，使得整体固有频率和质量到达较好的水平，保证振动工装尽可能不发生共振。通过正弦试验验证，该振动工装固有频率大于振动频率，表明该工装满足振动试验要求，在振动频率内不会发生共振，该方法对大功率氢燃料电池系统振动工装设计具有一定指导意义。

　　关键词：大功率；燃料电池；振动工装；仿真计算；试验验证

　　0引言

　　燃料电池行业在国家碳中和转型过程中承担着重要的角色，同时燃料电池汽车产业作为氢能发展的主要赛道之一，针对商用车领域，大功率燃料电池系统在重卡领域应用越来越广泛[1-2]，这是因为该系统能在各种严酷情况下稳定运行，例如：环境温度-30℃~45℃,相对湿度小于或等于95%，同时还需要满足冲击、加速度、随机振动等环境试验。其中，随机振动试验可以反映出系统的稳定性和可靠性，该试验最早用于航天工程[3]，后来广泛用于汽车行业、新能源行业，但国内对于燃料电池系统安全性能没有相应的国家标准，因此目前研究多借鉴于电动车行业标准[4]。

　　振动工装在随机振动试验中发挥着重要的作用，如在产品设计和开发过程中，可以验证设计方案的可行性[5]；在故障诊断与预防中，振动工装可以用于监测和诊断结构中的振动问题；在性能改进和优化过程中，利用振动工装采集相关数据，了解产品或结构的振动特性，改善产品的稳定性[6]。因此燃料电池系统产品设计中，振动工装的设计也是关键的一环。在振动工装设计阶段，利用有限元仿真，能大量减少开发时间和开发成本，对于常规振动工装有，文献[7]利用了ANSYS模态仿真和试验相结合的方法对大型机柜振动工装进行仿真优化，表明可以用该方法对工装进行设计与加工。文献[8]基于模态和冲击动力学对常规L形支架进行研究，并利用试验数据对仿真模型进行修正，得出通过修正的模型可以预示冲击响应谱的响应。文献[9]基于仿真设计与试验验证结合的方法，提升了大型振动工装的可靠性，并总结了大型振动工装设计关键点。

　　除此之外，振动工装设计影响着振动试验的平顺性，从而决定着试验结果和系统结构的安全[10]。因此需要保证振动工装在振动频率范围之内不能发生共振，避免对燃料电池系统产生影响[11]。本文将通过有限元理论结合模态仿真振动工装进行不断优化设计，使得工装尽可能避开共振点，同时满足模态高、质量小的要求，根据优化结果制作振动工装，最后通过扫频试验进行验证，扫频结果得出工装频率大于振动频率，说明该振动工装符合设计要求。

　　1振动工装设计要求及计算方法

　　1.1设计要求

　　由于振动工装基于燃料电池系统安装方式设计，并且振动工装高度和宽度取决于该系统的质心分布，所以功率越大的系统，对应的振动工装整体高度和宽度也越大。因此大功率燃料电池系统振动工装无法避免质量重、刚度小，导致其1阶固有频率偏低[12]。故尽可能提高振动工装的固有频率，与振动频率避开或尽可能地在振动频率边缘[13]。常规的燃料电池系统振动频率范围为0-200 Hz，本文的固有频率要求是大于或等于200 Hz。

　　除此之外，在满足一阶固有频率的要求下，质量、加工工艺和装配也是着重考虑的点[14]。一是基于1.5 t振动台，工装质量加上系统质量应不超过规定载荷，同时在保证频率的情况下，质量应尽可能地小；二是加工方面，减少使用焊接，保证上下连接面的平面度；三是，方便拆装，兼容其他系统。

　　1.2计算模型

　　燃料电池系统在进行振动试验时，首先将振动工装1、2通过螺栓连接在振动台上，然后再将燃料电池系统通过减震器安装在振动工装上，振动激励通过工装完整地传递给系统，试验原理由图1所示。