基于修正S-N曲線的電池包支架疲勞仿真影響因素分析研究

閆鵬飛

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津300462)

0 引 言

車輛性能開發(fā)過程包含安全性能開發(fā)、強度性能開發(fā)、NV 性能開發(fā)、CFD性能開發(fā)等，因與車輛的品質(zhì)息息相關(guān)，直接影響到品牌在市場上的核心競爭力，所以各大廠商都十分注重這些方面的研發(fā)與品質(zhì)管理。同時，車輛的疲勞性能直接體現(xiàn)該品牌車輛在市場上的行駛里程，這是用戶非常關(guān)心的品質(zhì)參數(shù)，因而在車輛研發(fā)過程中，準確地判斷車輛的疲勞性能顯得尤為重要[1]。

本文結(jié)合一汽豐田某款純電動客車的電池包支架搭載的疲勞仿真開發(fā)為例，從 S-N曲線角度研究影響車輛疲勞性能的參數(shù)。S-N曲線是評價車輛疲勞性能不可避免的最主要的影響因素[2]，若缺少材料的S-N曲線，將很難對車輛的疲勞性能做出判斷。本文針對 S-N曲線方面展開研究，為車輛疲勞性能的仿真開發(fā)提供參考。

1 電池包支架仿真中S-N曲線的修正

1.1 S-N曲線

我們通常所說的材料的 S-N曲線是使用光滑試棒做成的標準件，在拉壓彎扭作用下的疲勞壽命表示曲線，如圖1所示。

圖1 材料S-N曲線示意圖Fig.1 Diagram of material S-N curve

1.2 修正S-N曲線模型

一般汽車零部件都是經(jīng)過相應(yīng)的加工精度和熱處理工藝的部品，其結(jié)構(gòu)也都不盡相同，因此僅僅使用材料試棒的 S-N曲線進行疲勞仿真分析，與真實的情況存在較大出入。為了提高仿真分析精度，通常的做法是會對材料的 S-N曲線進行修正。對 S-N曲線修正的方法通常有 2種，第 1種是基于 Miner Modified準則，即在疲勞極限以下的部分按照斜率為2k-1進行修正；第 2種是基于 Miner Elementary準則，即在疲勞極限以下的部分按照原斜率 k進行延伸，如圖2所示。

圖2 不同修正方法的S-N曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of S-N curve with different correction methods

2 基于 S-N曲線的某電池包支架疲勞強度仿真分析比較

根據(jù)從北京通縣采集的路譜數(shù)據(jù)，結(jié)合企業(yè)開發(fā)目標公里數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，在本次仿真分析中，通過企業(yè)標準進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后給電池包一個振動載荷譜，用于疲勞仿真計算，將有限元計算結(jié)果與 S-N曲線進行比較，根據(jù)其對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)及目標值循環(huán)次數(shù)，得到其損傷值(d1)，計算方法如圖3所示。

圖3 損傷值計算示意圖Fig.3 Diagram of damage value calculation

其中，Damage(d1)值是根據(jù) Miner準則來計算的有限元模型的損傷值[3]，本文所述的不同修正方法的S-N曲線為變量，其余均為相同的設(shè)置參數(shù)。

2.1 基于Minner-Original的S-N曲線疲勞仿真結(jié)果

通過對該電池包局部模型的有限元分析，支架安裝點區(qū)域的Z方向的有限元應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。

圖4 電池包支架計算應(yīng)力圖Fig.4 Calculation stress diagram of battery pack bracket

本次研究主要關(guān)注點在螺栓連接部位。因為螺栓的剛度較大，并且采用了凸焊螺母的形式，為了便于后期電池包的維修，又必須是可拆卸部品，所以螺栓安裝點的疲勞強度性能直接關(guān)系到該電動車的品質(zhì)和今后在用戶處的口碑。以圖中某一個螺栓安裝點為例進行研究分析，將局部應(yīng)力結(jié)果放大后如圖 5所示。

圖5 螺栓孔應(yīng)力圖Fig.5 Diagram of bolt hole stress

該螺栓孔處的應(yīng)力值 σ1= 2 02MPa，結(jié)合材料的基于 Minner-Original的 S-N曲線，計算出其疲勞壽命，循環(huán)次數(shù)n1=6.1萬次。我們的 S-N曲線對應(yīng)的目標循環(huán)次數(shù)為 10萬次，因此其損傷值0.61。接下來我們進行基于修正的 S-N曲線的損傷值計算。

2.2 基于 Minner-Elementary修正的 S-N曲線疲勞仿真結(jié)果

通常由于加工工藝等因素的影響，在疲勞仿真分析中會進行 S-N曲線的修正，雖然精度會有所提升，計算時間和工作量也會相應(yīng)增加。為了便于研究其修正 S-N曲線對于分析結(jié)果的影響趨勢，本文以基于Minner-Elementary修正的S-N曲線方法為例進行說明。將模型導(dǎo)入到FEMFAT軟件中進行計算，計算參數(shù)為與2.1同樣的應(yīng)力幅值(Stress Amplitude)和循環(huán)次數(shù)(N)，計算模型如圖6所示。

圖6 損傷值計算模型圖Fig.6 Diagram of damage value calculation model

S-N曲線進行修正前后對比如圖7所示。

圖7 S-N曲線修正前后對比圖Fig.7 Comparison before and after S-N curve correction

前與上述修正相應(yīng)，Haigh圖也會進行相對應(yīng)的修正，其修正后對比如圖8所示。

圖8 修正前后Haigh圖Fig.8 Haigh diagram before and after correction

通過對與 2.1同一位置的螺栓孔處的損傷值進行分析可知，螺栓孔附近的最大損傷值的位置，與2.1計算的結(jié)果保持一致，結(jié)果如圖 9所示。該損傷值最大的節(jié)點載荷和損傷值結(jié)果見圖10。

該支架基于Minner-Elementary修正的S-N曲線損傷值的實際循環(huán)次數(shù)n2=6.1萬次，保持不變，其損傷值計算結(jié)果為萬次。那么可以看出，材料 S-N曲線經(jīng)過修正后，再次計算時修正后的危險點的可循環(huán)次數(shù)[N]會增大，其損傷值則有一定幅度的降低。

圖9 螺栓孔損傷值分布圖Fig.9 Distribution of bolt hole damage value

圖10 載荷和損傷值結(jié)果圖Fig.10 Result chart of load and damage value

2.3 結(jié)果比較分析

首先以與 2.2同樣的方法計算出該支架基于Miner-Modified修正的S-N曲線的損傷值結(jié)果、循環(huán)次數(shù)結(jié)果，然后對比 3種分析方法的結(jié)果，得到其差異情況如圖11所示。

圖11 損傷值結(jié)果對比圖Fig.11 Comparison of damage value results

其中，對 S-N曲線的k值修正最大的 S-N曲線的損傷值結(jié)果與材料未經(jīng)修正的損傷值結(jié)果相比有下降趨勢，下降幅度約為 14.8%，而修正幅度較小的基于Miner-Modified修正的S-N曲線的損傷值結(jié)果也同樣有下降趨勢，下降幅度約為 9.8%，與理論預(yù)期結(jié)果相同，符合真實情況。這表明，企業(yè)可以根據(jù)不同的情況進行 S-N曲線的修正，結(jié)合加工工藝、企業(yè)安全系數(shù)等相關(guān)因素進行疲勞仿真分析。

3 結(jié)論及展望

①通過對疲勞仿真分析中最根本的影響因素 SN曲線的修正影響進行分析，定性驗證了影響趨勢與理論認知的一致性，為今后的疲勞仿真開發(fā)評價提供參考。

②下一步可以針對多點、多模型等大量的疲勞仿真分析數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析研究，在明確分析精度的前提下，從提高分析影響因素的統(tǒng)計學(xué)研究層面進行驗證研究。