某蓄電池支架開(kāi)裂分析和優(yōu)化

葛緒坤 吳澤勛 王德遠(yuǎn) 韓旭 楊龍寶

摘要：針對(duì)某車(chē)型蓄電池支架在路試過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂的問(wèn)題，利用有限元法對(duì)支架總成進(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)分析，對(duì)開(kāi)裂原因進(jìn)行排查。分析結(jié)果表明支架總成1階模態(tài)固有頻率過(guò)低，且開(kāi)裂位置存在較大的應(yīng)變能集中，導(dǎo)致支架總成發(fā)生共振開(kāi)裂。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)蓄電池支架總成進(jìn)行優(yōu)化，其1階模態(tài)固有頻率明顯提升，開(kāi)裂處應(yīng)變能集中情況顯著改善。路試證明支架未再次發(fā)生開(kāi)裂，優(yōu)化后的支架總成滿足車(chē)型開(kāi)發(fā)要求。

關(guān)鍵詞：蓄電池支架; 開(kāi)裂; 強(qiáng)度; 模態(tài); 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6;TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Cracking analysis and optimization on storage battery bracket

GE Xukun， WU Zexun， WANG Deyuan， HAN Xu， YANG Longbao

（Zhejiang Jizhi New Energy Automobile Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 311328， China）

Abstract：

As to the cracking of a vehicle storage battery bracket during road test， the strength and modal of bracket assembly are analyzed using finite element method， and the cracking reason is studied. The analyses results show that the natural frequency of the first-order modal of bracket assembly is low， and the strain energy is amassed extensively in the cracking position， which leads to the resonance cracking of bracket assembly. The battery bracket assembly is optimized according to the analysis results. The natural frequencies of the first-order modal of the bracket assembly are obviously increased， and the strain energy amassing in cracking position is improved significantly. The road test indicates that the bracket does not crack again， and the optimized bracket assembly meets the requirements of vehicle development.

Key words：

storage battery bracket; cracking; strength; modal; structural optimization; finite element

收稿日期：2019-07-24

修回日期：2019-08-21

作者簡(jiǎn)介：

葛緒坤（1989—），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐?chē)身結(jié)構(gòu)耐久及輕量化開(kāi)發(fā)，（E-mail）ge_xukun@163.com

0?引?言

作為車(chē)身的一部分，蓄電池支架的主要作用是固定蓄電池，使蓄電池為車(chē)輛行駛和車(chē)內(nèi)各種電子系統(tǒng)正常工作提供電能。[1]汽車(chē)蓄電池支架結(jié)構(gòu)一般有“幾”字型和“Z”字型2種，通過(guò)整體焊接或整體安裝的形式安裝到縱梁上。[2]發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間有限，因此對(duì)蓄電池支架的設(shè)計(jì)要求較高，應(yīng)確保其剛度和強(qiáng)度滿足要求。[3]

某轎車(chē)蓄電池支架在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路試中出現(xiàn)開(kāi)裂，排查發(fā)現(xiàn)支架1階固有頻率較低，是導(dǎo)致其開(kāi)裂的主要原因，據(jù)此對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到提升其固有頻率、避免產(chǎn)生共振的目的。

1?蓄電池支架開(kāi)裂描述

該路試開(kāi)裂的蓄電池支架結(jié)構(gòu)主要包括蓄電池托盤(pán)、電器盒支架和安裝支架3部分，蓄電池支架總成示意見(jiàn)圖1。該支架試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路試中的開(kāi)裂位置見(jiàn)圖2，開(kāi)裂位置位于電器盒支架與車(chē)身前輪罩連接處的圓角位置。

2?開(kāi)裂原因排查

2.1?發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置分析

該蓄電池支架總成布置于機(jī)艙左側(cè)、左前輪罩附近，蓄電池質(zhì)量為13.00 kg，電器盒總質(zhì)量為0.62kg。由圖1支架總成示意可以看出，電器盒支架與蓄電池托盤(pán)為焊點(diǎn)連接，中部?jī)H通過(guò)安裝支架固定到左前縱梁上。蓄電池支架總成布置示意見(jiàn)圖3。由此可以看出，蓄電池z向尺寸大，質(zhì)心也比較高。因此，當(dāng)蓄電池在y向發(fā)生振動(dòng)時(shí)，由于中部安裝點(diǎn)本身剛度較弱，電器盒支架發(fā)生受迫振動(dòng)，可能導(dǎo)致其在路試中發(fā)生開(kāi)裂。

2.2?支架總成強(qiáng)度分析

采用ANSA建立白車(chē)身和蓄電池支架總成有限元模型，見(jiàn)圖4。蓄電池采用實(shí)體單元模擬，電器盒采用殼單元模擬。

約束車(chē)身截面節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度，在x、y和z向分別施加沖擊載荷，計(jì)算得到各方向載荷工況蓄電池支架應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖5。應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

該蓄電池支架總成材料為DC01，屈服極限為192.0 MPa。在x向載荷下，支架總成滿足強(qiáng)度要求;在y向和z向載荷下，支架總成中部安裝點(diǎn)處存在一定的應(yīng)力集中，超出材料屈服極限。試驗(yàn)開(kāi)裂處應(yīng)力最大值出現(xiàn)在y向載荷下，最大僅為64.4 MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，不是開(kāi)裂的主要原因。

2.3?支架總成模態(tài)分析

對(duì)支架總成進(jìn)行模態(tài)分析[4]，得到的應(yīng)變能密度云圖見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出，蓄電池支架總成1階模態(tài)固有頻率僅為20.6 Hz，低于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求（30 Hz以上），振型表現(xiàn)為蓄電池y向振動(dòng)。同時(shí)，支架總成各安裝點(diǎn)周?chē)鷳?yīng)變能密度都比較大，開(kāi)裂位置應(yīng)變能集中情況與開(kāi)裂位置吻合。

因此推斷，支架1階模態(tài)固有頻率較低，在路試過(guò)程中路面激勵(lì)與其總成發(fā)生共振導(dǎo)致開(kāi)裂。

3?結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1?支架總成優(yōu)化方案

上述分析認(rèn)為，固有頻率較低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生共振是支架總成開(kāi)裂的主要原因。因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)以提升支架總成的模態(tài)頻率為主，同時(shí)重點(diǎn)解決開(kāi)裂處應(yīng)變能集中問(wèn)題。

結(jié)合圖6應(yīng)變能密度云圖可知：該蓄電池支架總成剛度較弱的主要原因是空間布置存在缺陷，蓄電池托盤(pán)僅靠3個(gè)螺栓連接到車(chē)身上，無(wú)法有效支撐蓄電池;中部安裝支架工藝開(kāi)孔，導(dǎo)致托盤(pán)局部剛度較低;電器盒前安裝點(diǎn)處應(yīng)變能密度也較大。

主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）中部安裝支架由原來(lái)的2個(gè)改為1個(gè)，同時(shí)蓄電池托盤(pán)局部改為起凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，增加剛度;

（2）托盤(pán)左前方新增1個(gè)安裝支架，保證托盤(pán)可以有效承擔(dān)蓄電池質(zhì)量;

（3）蓄電池托盤(pán)起加強(qiáng)筋;

（4）電器盒支架原開(kāi)裂處增加翻邊，提高局部剛度，減小應(yīng)變能集中;對(duì)電器盒前安裝點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)。

蓄電池支架總成優(yōu)化方案見(jiàn)圖7。

3.2?支架總成模態(tài)校核

優(yōu)化后支架總成模態(tài)分析應(yīng)變能密度云圖見(jiàn)圖8。由此可以看出：優(yōu)化后支架總成1階模態(tài)固有頻率為34.3 Hz，高于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求;同時(shí)，開(kāi)裂處應(yīng)變能集中明顯改善。

3.3?支架總成強(qiáng)度校核

對(duì)優(yōu)化后的蓄電池支架總成結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析結(jié)果見(jiàn)圖9，各工況應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

由此可以看出：優(yōu)化后該蓄電池支架總成在y向載荷下應(yīng)力最大，為168.5 MPa，低于材料的屈服極限192 MPa;開(kāi)裂處最大應(yīng)力仍然出現(xiàn)在y向工況，僅為51.8 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服極限。優(yōu)化后支架總成最大應(yīng)力和試驗(yàn)開(kāi)裂處應(yīng)力水平較優(yōu)化前均明顯下降，可滿足強(qiáng)度要求。

將優(yōu)化后的支架總成安裝到新車(chē)上進(jìn)行耐久性路試，未出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，說(shuō)明優(yōu)化方法合理。

4?結(jié)束語(yǔ)

以某蓄電池支架總成為研究對(duì)象，針對(duì)其在路試中出現(xiàn)的開(kāi)裂問(wèn)題，從發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間布置、支架強(qiáng)度分析和支架模態(tài)分析3個(gè)方面進(jìn)行校核，最終確認(rèn)是由于其1階模態(tài)固有頻率較低導(dǎo)致路試時(shí)發(fā)生共振而引起開(kāi)裂。為改善支架總成性能，考慮從提升1階模態(tài)固有頻率入手，進(jìn)行4個(gè)方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，使該總成1階模態(tài)固有頻率達(dá)到34.3 Hz，滿足產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求，開(kāi)裂位置應(yīng)變能集中明顯改善。對(duì)優(yōu)化后的總成進(jìn)行強(qiáng)度校核，各方向載荷下應(yīng)力水平較優(yōu)化前均有明顯降低，可以滿足強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]索明何， 吳慶捷. 汽車(chē)蓄電池支架頻率響應(yīng)分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 2019， 35（1）： 196-199. DOI： 10.13952/j.cnki.jofmdr.2019.0130.

[2]何慶稀， 蔡少波. 某MPV汽車(chē)蓄電池支架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 44（4）： 375-378. DOI： 10.3969/j.issn.1006-4303.2016.04.005.

[3]郭維清， 李翠霞. 汽車(chē)蓄電池支架模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[C]// 2016中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集. 上海： 中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)， 2016： 1382-1384.

[4]韓紅陽(yáng)， 陳有松， 徐穎， 等. 非承載式SUV白車(chē)身結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2017， 26（2）： 28-32. DOI： 10.13340/j.cae.2017.02.005.

（編輯?武曉英）