基于OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化的新能源電動(dòng)汽車電池箱蓋輕量化設(shè)計(jì)

單豐武 譚敦厚 林靜

1.江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司 江西省南昌市 330013 2.湖南三合汽車新材料有限公司 湖南省長(zhǎng)沙市 410323

1 概述

隨著新能源汽車迅速發(fā)展，提高續(xù)航里程成了亟需解決的問題，對(duì)于純電動(dòng)汽車，重量每減少10%，續(xù)航里程可以增加8%左右[1]。前不久，《中國(guó)制造2025》也將輕量化列為汽車重點(diǎn)發(fā)展方向之一。減重對(duì)于新能源汽車具有重要意義，已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。汽車輕量化可以從兩個(gè)方面入手，一是材料輕量化，二是結(jié)構(gòu)輕量化。由于SMC復(fù)合材料具有質(zhì)輕、耐高溫、尺寸穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高和優(yōu)異的耐腐蝕性能，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車蓄電池箱蓋的制造材質(zhì)之一。本文的研究對(duì)象為某款使用SMC材料的新能源汽車電池箱蓋，研究重點(diǎn)為結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，因此這里不再對(duì)SMC材料作進(jìn)一步探討。

目前有限元分析已經(jīng)在工程上得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)也在驗(yàn)證過程發(fā)展越來越成熟。其中，OptiStruct作為一款功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，已經(jīng)積累了大量應(yīng)用實(shí)例，提供全面的優(yōu)化方法：拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化。本文利用其拓?fù)鋬?yōu)化功能，對(duì)電池箱蓋進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，試圖設(shè)計(jì)出重量最輕的結(jié)構(gòu)。

2 電池箱蓋結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)新能源電動(dòng)汽車的某款動(dòng)力蓄電池箱蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該電池箱蓋原結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，整體壁厚3mm，法蘭邊5mm，局部加強(qiáng)厚度8mm，法蘭邊上設(shè)有螺栓孔與底座安裝，設(shè)計(jì)重量為7.337kg。

圖1 電池箱蓋外側(cè)視圖

圖2 電池箱蓋內(nèi)側(cè)視圖

為保證電池箱蓋的結(jié)構(gòu)能得到最大優(yōu)化，舍棄現(xiàn)有的電池箱蓋結(jié)構(gòu)，找出電池箱蓋的可設(shè)計(jì)空間，在此空間的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化將重量降至最低。

由于電池箱蓋沒有與其他部件連接，僅與底座裝配后形成整體密封的結(jié)構(gòu)，因此，將底座和內(nèi)部電池組空間（如圖3所示）挖去后就得到了電池箱蓋的內(nèi)部設(shè)計(jì)空間。

電池箱蓋的外部界面尺寸沿用原結(jié)構(gòu)，以免引起電池包在車身裝配后與其他部件干涉，最后得到的設(shè)計(jì)空間如圖4所示，結(jié)合圖2可以看出設(shè)計(jì)空間已將原結(jié)構(gòu)覆蓋。

圖3 電池包的底座和電池組

圖4 電池箱蓋可設(shè)計(jì)空間

3 有限元模型建立

由于電池箱蓋有密封要求，因此采用殼單元建立有限元模型，并通過設(shè)置最小的壁厚可避免結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)孔洞。結(jié)構(gòu)上厚度相差較大，抽取中面后結(jié)果并不理想，改為提取電池箱蓋外表面，根據(jù)厚度進(jìn)行切割并分組。利用HyperMesh的automesh功能對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為5，調(diào)整局部質(zhì)量較差的網(wǎng)格后，總共產(chǎn)生76458個(gè)單元和76926個(gè)節(jié)點(diǎn)。

法蘭邊需安裝螺栓孔，厚度為5mm，不進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)空間最薄的地方在電池組上方，厚度3.5mm，為加快優(yōu)化進(jìn)程，其余部分厚度超過8mm的區(qū)域分到同一個(gè)component下，初始厚度設(shè)置為8mm，最終的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 電池箱蓋初始有限元模型

4 電池箱蓋的優(yōu)化分析

整車設(shè)計(jì)中需對(duì)電池箱蓋進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析可以確定電池箱蓋結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，供設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)避開這些頻率，防止共振的產(chǎn)生。計(jì)算時(shí)約束螺栓孔的平動(dòng)，分析類型選擇normal modes，為了減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量，只輸出第一階模態(tài)的頻率即可[2]。

普通客車路面激勵(lì)約為0～10Hz，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)阻和傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)等，因此電池箱蓋的頻率不得小于30Hz[3]。

通過OptiStruct對(duì)電池箱蓋進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)入topology面板創(chuàng)建拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量為3.5mm和8mm厚的區(qū)域，如圖5所示，為保證電池箱蓋具有密封性，設(shè)置優(yōu)化后的最小壁厚為2mm；通過MIMDIM參數(shù)設(shè)置最小單元尺寸，最小成員尺寸一般為單元平均尺寸的3倍，由于計(jì)算模型單元質(zhì)量較好，這里輸入10即可[4]。

考慮優(yōu)化后的形狀需要進(jìn)行調(diào)整，以及計(jì)算和實(shí)際的頻率有誤差，將一階模態(tài)頻率約束在35Hz以上，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為質(zhì)量最小。

優(yōu)化分析在迭代20次后完成，如圖6所示，最后一步優(yōu)化的重量為6.31kg，該重量?jī)H僅是有限元模型的重量，最終的重量需要在完成結(jié)構(gòu)修改并建立完整的幾何模型后確認(rèn)。

5 優(yōu)化結(jié)果

通過HyperView打開計(jì)算結(jié)果，查看電池箱蓋的密度云圖，如圖7所示，由于法蘭邊不參與拓?fù)鋬?yōu)化，這里只顯示設(shè)計(jì)區(qū)域的密度云圖。從圖中可以看出電池箱蓋四周的中間部分保留了原始厚度，中間有一條橫向區(qū)域密度較高，該區(qū)域是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的位置。

將優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入HyperMesh，對(duì)初始計(jì)算模型進(jìn)行修改，修改遵循兩個(gè)原則：（1）用直線對(duì)電池箱蓋的幾何模型進(jìn)行切割；（2）保證切割后的區(qū)域盡量覆蓋優(yōu)化后的高密度區(qū)域。最終的有限元模型如圖8所示。

圖6 質(zhì)量-迭代步曲線

圖7 密度云圖

圖8 調(diào)整后的有限模型

為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)是否滿足使用要求，使用圖8中的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，提取一階模態(tài)，頻率為33.8Hz，比設(shè)置的最小約束頻率略低（35Hz），但是大于30Hz，滿足初始的設(shè)計(jì)要求。

從最終的有限元模型中輸出幾何面，并導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件重新繪制電池箱蓋，添加制造特征后電池箱蓋的數(shù)模如圖10所示，輸出該模型并在設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行試裝配，滿足要求，確定該結(jié)構(gòu)為最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)其重量為6.558kg，比最后一步優(yōu)化的有限元模型（6.31kg）重3.9%，可見OptiStruct優(yōu)化后的有限元模型重量具有較高的參考價(jià)值。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過OptiStruct對(duì)某型號(hào)電池箱蓋進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并對(duì)電池箱蓋重新設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)（6.558kg）比原結(jié)構(gòu)（7.337kg）減重10.6%；結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)該摒棄現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和造型，從初始的設(shè)計(jì)條件入手，找出可設(shè)計(jì)空間，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)于有密封要求的結(jié)構(gòu)，建議采用殼單元進(jìn)行分析；優(yōu)化后的結(jié)果通常形狀復(fù)雜，不利于生產(chǎn)且增加設(shè)計(jì)工作量和制造成本，需要手動(dòng)調(diào)整到可接受形狀；分析前應(yīng)該考慮此調(diào)整帶來的影響，適當(dāng)提高約束條件，本文將設(shè)計(jì)要求中一階模態(tài)的頻率從30Hz提高到35Hz作為約束條件，使最終結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求；在最終的結(jié)構(gòu)尚未完成的情況下，可暫時(shí)用優(yōu)化的有限元模型來評(píng)估其重量。

圖9 最終結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)

圖10 優(yōu)化后的電池箱蓋