基于HyperWorks的某電池總成抗振性能優(yōu)化技術(shù)

趙久志

摘 要：本文使用HyperWorks分析并優(yōu)化某電池總成結(jié)構(gòu)提高其抗振性能。首先建立有限元模型、分析工況設(shè)定PSD載荷、進(jìn)行受力分析、提出優(yōu)化方案，再通過(guò)受力分析和Abaqus進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)合實(shí)際情況選取方案。最后對(duì)優(yōu)化的電池總成進(jìn)行臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果表明本電池總成經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的部件滿足整車振動(dòng)要求，提前規(guī)避試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了項(xiàng)目周期，降低了研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：電池總成;HyperWorks;Abaqus

1 引言

電池總成作為電動(dòng)汽車的重要儲(chǔ)能單元，會(huì)遇到各種復(fù)雜的工況，這需電池總成具備足夠的抗振性能。電池總成部件眾多且結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，用戶使用車輛后反饋的電池總成問(wèn)題很多，但很多問(wèn)題無(wú)法通過(guò)肉眼直接識(shí)別。因此，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真等方式發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，將縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 建立有限元模型

電池總成包括模組、殼體、電子元件和線束?？紤]整車?yán)m(xù)航里程、輕量化設(shè)計(jì)和空間利用率等需求，通常將電池總成設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)規(guī)則的整體布置于汽車底盤下方，并對(duì)電池總成進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

如圖1所示，在不影響計(jì)算精度的前提下，利用CATIA構(gòu)建電池總成簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)模型。本電池總成的模組分為高模組和低模組;模組的左右兩側(cè)通過(guò)C形鈑金限位并使用長(zhǎng)螺桿貫穿緊固;模組與殼體底部通過(guò)L形鈑金固定連接。然后設(shè)置電池模組和殼體的網(wǎng)格屬性為8點(diǎn)六面體C3D8R，L形鈑金和C形鈑金的網(wǎng)格屬性為4點(diǎn)殼單元S4R，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)置各部件的材料屬性，并使用殼單元和點(diǎn)Coup模擬各單元的連接方式。通過(guò)Hyperworks內(nèi)的Hypermesh模塊對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得出如圖2所示的有限元網(wǎng)格模型[1]。

3 隨機(jī)振動(dòng)分析

3.1 設(shè)定工況

如圖3所示，為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池安全要求與試驗(yàn)方法》中所規(guī)定的功率譜密度曲線，即PSD曲線。設(shè)定電池總成的PSD掃頻區(qū)間為5～200Hz，Z、X和Y方向加速度均方根分別為0.64g、0.5g和0.45g。根據(jù)電池總成的實(shí)際安裝情況，設(shè)置殼體外圍的6個(gè)固定安裝孔為本仿真的邊界條件，然后利用Hyperworks內(nèi)HyperView模塊進(jìn)行仿真。

3.2 仿真分析

如圖4所示，為本電池總成Z向振動(dòng)仿真結(jié)果，X和Y向受力情況與之相似。有上圖可得，高模組的前后夾板和L形鈑金在焊接區(qū)域和C形鈑金的螺孔安裝區(qū)域的受力超過(guò)材料的屈服極限，使零件失效[1]。

4 優(yōu)化方案分析

4.1 提出優(yōu)化方案

根據(jù)式（1）和（2）可得，振幅X與剛度系數(shù)K成正比，與剛度系數(shù)K成反比。振幅越小，共振頻率越高，則結(jié)構(gòu)的抗振性能越好。因此，需提高系統(tǒng)的剛度系數(shù)。優(yōu)化方案如圖5所示：方案一在前后夾板側(cè)壁增加支架結(jié)構(gòu);方案二將C形鈑金中間梁加厚3mm;方案三在前后夾板下端兩側(cè)增加安裝點(diǎn)[2][3]。

3.2 方案分析

根據(jù)上述提出的優(yōu)化方案，修改模型，使用HyperView對(duì)各方案進(jìn)行受力分析，并使用Abaqus對(duì)各方案逐個(gè)進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖6和圖7所示。

由上圖可得，所有方案的受力效果順序?yàn)椋悍桨付?方案三≈方案一>原方案，共振頻率排序?yàn)椋悍桨付?方案三>方案一>原方案。方案三的優(yōu)化效果最明顯，但本方案須對(duì)零件進(jìn)行重新開(kāi)模，使得研發(fā)成本增加，并且加厚C形鈑金也增加了電池總成的整體重量。因此，采用方案二為最終優(yōu)化方案。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

參照ISO 6469 《電動(dòng)道路車輛--安全規(guī)范》所規(guī)定的蓄電池包或系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)方法，對(duì)本電池總成進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。如圖8所示，將電池總成通過(guò)工裝牢靠固定于振動(dòng)臺(tái)架上，再根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Z、Y和X軸三個(gè)方向進(jìn)行12h隨機(jī)振動(dòng)和1h定頻振動(dòng)，并制定相應(yīng)的振動(dòng)參數(shù)。

試驗(yàn)過(guò)程中保持上位機(jī)監(jiān)控狀態(tài)，在振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束過(guò)后，將電池總成靜置兩小時(shí)，然后打開(kāi)電池殼體。拆包后的排查結(jié)果顯示：前后夾板、L形鈑金和C形鈑金無(wú)開(kāi)裂;采用鋁極耳的電池模組內(nèi)部的極耳焊接處出現(xiàn)斷裂，而采用鎳極耳的電池模組表現(xiàn)正常;單體電池?zé)o泄漏、電池殼體無(wú)破裂;鎳極耳模組、線束和水管等主體驗(yàn)證項(xiàng)表現(xiàn)正常。忽略鈑金手工件和鋁極耳模組的影響，本電池總成振動(dòng)試驗(yàn)視為通過(guò)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文就如何利用HyperMesh軟件進(jìn)行有限元分析電池總成的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的抗振原理提出優(yōu)化方案，然后對(duì)比各方案的受力情況和固有頻率，選擇技術(shù)方案，再通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后的電池總成是否滿足振動(dòng)要求。通過(guò)仿真軟件提前排查設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)已經(jīng)成為當(dāng)前正向開(kāi)發(fā)行業(yè)的趨勢(shì)，可有效的提高產(chǎn)品的研發(fā)速度，隨著仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿真結(jié)果將在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊書建.電動(dòng)汽車電池箱動(dòng)靜態(tài)特性分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué)，2012.

[2]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]劉濤.基于HyperWorks的某動(dòng)力電池總成固定支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016（05）：78-81.