基于Workbench的電池組支架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

廖 萍，周陳全，倪紅軍，張 彤，馬智濤

LIAO Ping1, ZHOU Chen-quan1, NI Hong-jun1, ZHNG Tong2, MA Zhi-tao2

（1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南通 226019；2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，寧波 315000）

0 引言

電池組底部支架結(jié)構(gòu)是作為混合動(dòng)力汽車(HEV)車載電池組的承載體，一方面形成電池組冷卻結(jié)構(gòu)的底部風(fēng)道以確保電池組工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)[1,2]，另一方面它作為電池組的支撐結(jié)構(gòu)，保證電池組在工作過程中始終安全可靠，電池組底部支架作為HEV的支撐部件，其性能對(duì)HEV的整車性能有重要影響。電池組底部支架結(jié)構(gòu)達(dá)到“高強(qiáng)度、高剛性、輕質(zhì)量”的要求，以保證其在使用過程中支撐結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生裂紋以保證電池組的可靠性，采用基于有限元分析法，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)性能分析及優(yōu)化，具有重要的工程意義。

1 混合動(dòng)力汽車用電池組

混合動(dòng)力汽車用電池組主要由電池模組、底部支撐架、電池模塊支架、電池組蓋板等部件組成，圖1為利用CATIA建立的電池組實(shí)體模型。其中，電池模塊支架、電池組蓋板主要用于防護(hù)及形成電池包內(nèi)部風(fēng)道，底部支撐架為承重部件，底部支撐架主要由前支撐架、后支撐架、端面連接支架、中間擋風(fēng)支架及中間連接支架組成。通過CATIA與ANSYS的數(shù)據(jù)接口將底部支撐架模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，以分析計(jì)算其在各種工況載荷下的位移、應(yīng)力，以確保電池組結(jié)構(gòu)的工作的可靠性。為保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)提高運(yùn)算效率，對(duì)該實(shí)體模型進(jìn)行了圓角、將孔簡(jiǎn)化為實(shí)體的簡(jiǎn)化處理，并采用ANSYS Workbench中的“boned”接觸單元類型來仿真所有的接觸面。

前支撐架、后支撐架、端面連接支架等部件的材料均為鍍鋅板，其厚度均為2.0mm，密度為7.8×10-6kg/mm3，楊氏模量為2.0×105MPa，泊松比為0.25，極限抗拉強(qiáng)度為410MPa，取安全系數(shù)為1.3。

圖1 電池包散熱結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，其對(duì)計(jì)算的難易程度及結(jié)果的精度有重要影響[3,4]。本文應(yīng)用ANSYS Workbench 中薄面掃掠的方法，根據(jù)實(shí)際模型的大小，在保證網(wǎng)格的規(guī)模的同時(shí)提高運(yùn)算效率，網(wǎng)格大小設(shè)定為5mm，共得到14957個(gè)單元，107265個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖2為底部支撐架的有限元模型。因電池包工作過程中，電池包底部支撐架前、后支撐架上的四個(gè)支撐面通過螺栓連接固定在車廂地板上，故在以上支撐面上施加固定面約束（Fixed Support），以模擬實(shí)際情況。

當(dāng)?shù)撞恐渭苌瞎潭ㄓ兄亓繛?6.5Kg的電池組后，支撐架將承受電池組的重力以及電池組的慣性力。汽車最常見的是勻速行駛、顛簸行駛、加速行駛及減速行駛四種工況，對(duì)電池包散熱結(jié)構(gòu)的分析也是基于這四種工況。下面將對(duì)這四種工況分別進(jìn)行分析計(jì)算，得出四種工況下底部支撐架的等效應(yīng)力與整體位移。

2 電池組底部支架強(qiáng)度分析

2.1 混合動(dòng)力汽車勻速行駛工況

當(dāng)汽車以巡航速度行駛時(shí)，底部支撐架結(jié)構(gòu)主要承受電池組及其自身的重力，此時(shí)電池包的重力均勻地施加在底部支撐架與電池組的接觸面上。圖3為勻速行駛工況下，底部支撐架結(jié)構(gòu)的整體位移與等效應(yīng)力求解結(jié)果。

圖3 勻速行駛時(shí)電池組支架的應(yīng)力與位移云圖

由圖3可以看出底部支撐架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在后支撐架的支撐腳處，最大等效應(yīng)力為79.5MPa，最大位移出現(xiàn)在端面連接支架與電池包接觸的中間部位，且最大位移為0.12mm。

2.2 混合動(dòng)力汽車顛簸行駛工況

當(dāng)汽車行駛在顛簸路面時(shí)，底部支撐架除了承受電池組及其自身的重力外，還將受到由于電池包在起伏過程而產(chǎn)生的沿豎直方向的慣性力，圖4為振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明汽車在顛簸工況中受到最大值慣性力值為670N。將重力及慣性力施加在底部支撐架與電池組的接觸面上。圖5為顛簸行駛工況下，底部支撐架結(jié)構(gòu)的整體位移與等效應(yīng)力求解結(jié)果。

圖4 電池組振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖5 顛簸工況時(shí)電池組支架的應(yīng)力與位移云圖

由圖5可以看出底部支撐架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在后支撐架的支撐腳處，最大等效應(yīng)力為158.9MPa，最大位移出現(xiàn)在端面連接支架與電池包接觸的中間部位，且最大位移為0.22mm。

2.3 混合動(dòng)力汽車減速工況

在汽車的減速過程中，根據(jù)動(dòng)力性要求，汽車須在3s內(nèi)將車速?gòu)?20km/h減速為0，此時(shí)底部支撐架除了承受電池組及其自身的重力外，還將受到電池包由于減速而產(chǎn)生的沿水平正方向的慣性力。圖7為減速工況下，底部支撐架結(jié)構(gòu)的整體位移與等效應(yīng)力求解結(jié)果。

圖6 減速行駛時(shí)電池組支架的應(yīng)力與位移云圖

由圖6可以看出底部支撐架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在中間擋風(fēng)連接支架與前支架連接處，最大等效應(yīng)力為408.3MPa，最大位移出現(xiàn)在前支架的中間部位，且最大位移為1.56mm。

2.4 混合動(dòng)力汽車加速工況

在汽車的加速過程中，根據(jù)動(dòng)力性要求，汽車須在10s內(nèi)將車速?gòu)?加速至120km/h，此時(shí)底部支撐架除了承受電池組及其自身的重力外，還將受到電池包由于加速而產(chǎn)生的沿水平負(fù)方向的慣性力。圖7為減速工況下，底部支撐架結(jié)構(gòu)的整體位移與等效應(yīng)力求解結(jié)果。

圖7 加速行駛時(shí)電池組支架的應(yīng)力與位移云圖

由圖7可以看出底部支撐架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在中間擋風(fēng)連接支架與前支架連接處，最大等效應(yīng)力為72.5MPa，最大位移出現(xiàn)在前支架的中間部位，且最大位移為0.37mm。

從不同行駛工況的分析結(jié)果可以看出：在電池包的工作過程中，底部支撐架的變形主要發(fā)生在端面連接支架與電池包接觸的中間部位及前支架的中間部位，底部支撐架的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在中間擋風(fēng)連接支架與前支架連接處。當(dāng)混合動(dòng)力汽車以減速工況行駛時(shí)，底部支撐架的最大位移與最大等效應(yīng)力在整個(gè)過程中均達(dá)到最大值，最大位移為1.56mm，最大等效應(yīng)力為408.3MPa，超過了底部支撐架采用的鍍鋅板的屈服強(qiáng)度310MPa，故其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 電池組底部支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

底部支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足其強(qiáng)度要求，而有限元分析結(jié)果表明，其中間擋風(fēng)連接支架與前支架連接處的等效應(yīng)力超出材料的屈服強(qiáng)度，因此，需要對(duì)底部支撐架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，前、后支架主要通過增加支撐點(diǎn)，并且在后支架支撐腳兩側(cè)進(jìn)行翻邊，以提高支撐架的強(qiáng)度，為提高中間擋風(fēng)連接支架的強(qiáng)度、剛度，增加其寬度，以增大與前后支架的焊接面積。圖8為底部支撐架優(yōu)化前、后結(jié)構(gòu)對(duì)比。

底部支撐架的有限元分析結(jié)果表明，當(dāng)混合動(dòng)力汽車以減速工況行駛時(shí)，底部支撐架的最大位移與最大等效應(yīng)力在電池包工作過程中均達(dá)到最大值，在此條件下對(duì)優(yōu)化后的底部支撐架進(jìn)行比較分析。圖9為混合動(dòng)力汽車以減速工況行駛時(shí)的位移與等效應(yīng)力求解結(jié)果。

圖8 底部支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

圖9 減速行駛時(shí)優(yōu)化后電池組支架位移及應(yīng)力云圖

從圖9可以看，優(yōu)化后的底部支撐架結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)工況（減速行駛時(shí)），底部支撐架的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在中間擋風(fēng)連接支架與前支架連接處，最大等效應(yīng)力為208.4MPa，遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度，滿足其強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過Catia軟件建立電池包底部支撐架的三維模型，并利用軟件接口將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，在Workbench中對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度校核，得到底部支撐架靜、動(dòng)態(tài)特性云圖。基于有限元分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并試制了電池包散熱結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：電池包散熱底部支架結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度增強(qiáng)，滿足使用要求；底部支撐架的剛度明顯提高，保證了電池組的可靠性，達(dá)到預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)。

[1]眭艷輝,王文,夏保佳.等.混合動(dòng)力汽車鎳氫電池組通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].汽車工程,2010(32)3:203-208.

[2]眭艷輝.混合動(dòng)力車用鎳氫電池組散熱結(jié)構(gòu)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2010:21-24.

[3]劉寶波,譚柏春,李紅勛.等.基于ANSYS Workbench的集裝箱雙面吊車架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程,2011,(9):130-133.

[4]周孜亮,王貴飛,叢明.基于ANSYS Workbench 的主軸箱有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012(3):17-20.