基于Optistruct的電池包箱體上蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚麗輝 李春陽

摘? ?要：文章對(duì)電池包進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)有限元分析，得到箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在上蓋表面設(shè)置凸包結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng);并采用Optistruct軟件，運(yùn)用形貌優(yōu)化技術(shù)，以動(dòng)剛度和靜剛度為約束指標(biāo)，獲得了矩形凸包和E型凸包的結(jié)構(gòu)布局和幾何參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化后上蓋的剛度、強(qiáng)度均得到顯著提升，此研究為進(jìn)一步分析實(shí)際電池包箱體結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電池包箱體;上蓋;優(yōu)化設(shè)計(jì)

電池箱作為動(dòng)力電池系統(tǒng)的唯一載體，在動(dòng)力電池安全工作和防護(hù)方面起著關(guān)鍵作用，電池箱多為薄板件，常常面對(duì)顛簸、剎車和碰撞等復(fù)雜路況的考驗(yàn)，如何使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性得到進(jìn)一步改善，是箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)[1-4]。

本文基于ANSYS Workbench平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際工況在上蓋表面設(shè)置凸包結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，采用Optistruct軟件，運(yùn)用形貌優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化箱體上蓋的局部剛度，得到凸包結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和平面布局，并構(gòu)建了優(yōu)化后箱體上蓋的三維模型。

1? ? 箱體有限元分析

1.1? 有限元模型構(gòu)建

圖1為某款電池包結(jié)構(gòu)示意，整個(gè)電池包呈較規(guī)則的長(zhǎng)方體。為了正確模擬力的傳遞路徑，將復(fù)雜的電池模組簡(jiǎn)化為較規(guī)則的方形體，同時(shí)將簡(jiǎn)化的電池模組引入到電池包箱體，并將上蓋作透明處理，作為后續(xù)電池包箱體有限元分析模型。

電池包箱體分別通過兩側(cè)的3個(gè)掛點(diǎn)懸掛在汽車底盤上，故約束施加在箱體的兩側(cè)掛點(diǎn)上。本文采用實(shí)體單元對(duì)箱體進(jìn)行有限元模型構(gòu)建，只具備3個(gè)平動(dòng)自由度，故對(duì)掛點(diǎn)表面上的節(jié)點(diǎn)也僅約束3個(gè)平動(dòng)自由度。

為了考察電池包箱體結(jié)構(gòu)是否能夠保護(hù)內(nèi)部電池模組和電氣連接安全。本文選擇了不同典型工況對(duì)箱體做靜態(tài)有限元分析。表1顯示了典型靜態(tài)工況及加載方式。

1.2? 有限元分析結(jié)果

在ANSYS Workbench中利用靜力學(xué)模塊可求得上述3種典型工況下電池包的變形分布情況。發(fā)現(xiàn)在顛簸工況下箱體上蓋受力較大，變形量達(dá)到22.65 mm，下文的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將以此作為極限工況進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)上蓋優(yōu)化效果。

模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)共振區(qū)域均發(fā)生在箱體上蓋，上蓋均呈現(xiàn)不同形式的上下振動(dòng)，發(fā)生彎曲變形，可見其動(dòng)剛度不足，亟待加強(qiáng)。為避免共振情況發(fā)生，箱體上蓋一階頻率需高于路面的激勵(lì)頻率。表2顯示了3種常見路面對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率，可見，由路面不平度產(chǎn)生的激勵(lì)頻率最高為27.78 Hz，而箱體上蓋一階固有頻率僅為13.66 Hz，優(yōu)化后箱體上蓋的一階頻率只需高于27.78 Hz，即滿足設(shè)計(jì)要求。

2? ? 上蓋形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1? 上蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

為改善箱體上蓋剛度嚴(yán)重不足的情況，通常在箱體上蓋采用鈑金沖壓方法加工出凸包結(jié)構(gòu)。本文基于Optistruct軟件，采用形貌優(yōu)化技術(shù)得到凸包結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和平面布局，以優(yōu)化箱體上蓋的局部剛度。

將上蓋中心部分節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)位移、上蓋的一階固有頻率和體積定義為優(yōu)化響應(yīng);將凸包的最小寬度設(shè)為40 mm，拔模角設(shè)為70°，最大沖壓高度設(shè)為10 mm;將上蓋中心部分節(jié)點(diǎn)位移上限定為11 mm，可保證在瞬時(shí)加速下上蓋不會(huì)與電池模組發(fā)生碰撞，一階固有頻率下限設(shè)為28 Hz。以總體積最小為目標(biāo)，進(jìn)行上蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

靜態(tài)位移和一階固有頻率經(jīng)過25次優(yōu)化迭代計(jì)算后收斂，兩者均能達(dá)到設(shè)定的參數(shù)要求。最終優(yōu)化后的箱體上蓋的凸包結(jié)構(gòu)基本呈對(duì)稱分布，即左右兩側(cè)的E型凸包和前后的矩形凸包。其中，E型凸包高度在5～6 mm范圍內(nèi)，矩形凸包厚度基本達(dá)到的約束的最大值為10 mm。

2.2? 上蓋優(yōu)化效果分析

優(yōu)化后上蓋的固有頻率較原模型均有大幅提高，其一階固有頻率高于平坦路面激勵(lì)頻率，可避免共振情況發(fā)生，符合設(shè)計(jì)要求。由顛簸工況下優(yōu)化后上蓋的最大變形位于上蓋中心，變形量為5.66 mm，較優(yōu)化前降低了72%，剛度改善效果明顯，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最大等效應(yīng)力落在E型凸包前后兩側(cè)角點(diǎn)，僅為101 MPa，明顯低于材料的屈服極限，強(qiáng)度提升顯著。

3? ? 結(jié)語

本文對(duì)電池包進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)有限元分析，得到箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在上蓋表面設(shè)置凸包結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng);并采用Optistruct軟件，運(yùn)用形貌優(yōu)化技術(shù)，以動(dòng)剛度和靜剛度為約束指標(biāo)，獲得了矩形凸包和E型凸包的結(jié)構(gòu)布局和幾何參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化后上蓋的剛度、強(qiáng)度均得到顯著提升。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫小卯.某型電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，2013.

[2]馮富春，史曉妍，劉麗榮，等.基于AnsysWorkbench的動(dòng)力電池箱體有限元分析[J].電源世界，2014（11）：33-35.

[3]郜效保.微型純電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與碰撞安全性研究[D].長(zhǎng)沙：機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，2016.

[4]李明秋.電池包箱體的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2017.