基于Optistruct的電池包箱體上蓋優(yōu)化設(shè)計

譚麗輝,劉 慶,李春陽

(1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.北方華錦化學(xué)工業(yè)股份有限公司 雙興工程塑料分公司，吉林 吉林 132022)

動力電池作為純電動汽車唯一的能量來源，對整車性能影響尤為重要，通常由于車身空間限制，懸掛在汽車底盤下方.電池箱是動力電池系統(tǒng)的唯一載體，對電池系統(tǒng)的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用.電池箱多為薄板件，常常面對顛簸、剎車和碰撞等復(fù)雜路況的考驗，則其箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性即成為首要任務(wù)[1-10].

基于ANSYS Workbench平臺，結(jié)合實際工況對電池包箱體進(jìn)行靜、動態(tài)有限元分析，判斷箱體結(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)，運(yùn)用Optistruct軟件的形貌優(yōu)化技術(shù)，對箱體上蓋的局部剛度進(jìn)行優(yōu)化，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)示意圖，整個電池包呈較規(guī)則的長方體.為了正確模擬力的傳遞路徑，將復(fù)雜的電池模組簡化為較規(guī)則的方形體，同時將簡化的電池模組引入到電池包箱體，并將上蓋作透明處理，如圖2所示，作為后續(xù)電池包箱體有限元分析模型.

圖1 電池包結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電池包簡化模型

基于ANSYS Workbench軟件的網(wǎng)格剖分和接觸自動識別技術(shù)，采用solid185單元在箱體厚度方向布置2層網(wǎng)格，單元尺寸為20×20 mm，進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)模擬.

考慮在極端工況下，材料會出現(xiàn)大變形，而DC01材料具有完備的彈性階段和塑性階段本構(gòu)關(guān)系，表1給出DC01材料屬性.

表1 DC01材料屬性

在電池包箱體的兩側(cè)掛點(diǎn)上施加約束，如圖2所示圓圈標(biāo)記處.采用的實體單元只具備3個平動自由度，故對掛點(diǎn)表面上的節(jié)點(diǎn)也僅約束3個平動自由度.

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，選擇了不同典型工況對箱體做靜態(tài)有限元分析.表2給出了典型靜態(tài)工況及加載方式(已包含重力加速度).

表2 典型工況及加載方式

1.2 靜態(tài)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.圖3分別給出了3種工況下，電池包的變形情況.在急剎車工況下，下箱體前后受力明顯，但沒有發(fā)生明顯的變形，最大變形量僅為0.08 mm；在顛簸工況下，箱體上蓋受力明顯，最大變形量達(dá)到22.65 mm；在顛簸和急轉(zhuǎn)彎組合工況下，箱體上蓋依舊為主要受力區(qū)，最大變形量為22.66 mm，與顛簸工況相比，急轉(zhuǎn)彎對箱體上蓋變形的影響有限.綜上可見，在顛簸工況下箱體上蓋受力較大，產(chǎn)生較大的變形量，下文的優(yōu)化設(shè)計，將以此作為極限工況進(jìn)行對比分析，評價上蓋優(yōu)化效果.

(a)急剎車工況的Y向位移云圖

(b)顛簸工況的Z向位移云圖

(c) 顛簸+急轉(zhuǎn)彎工況的總位移云圖圖3 典型工況的位移云圖

根據(jù)電池箱靜力學(xué)特性評價標(biāo)準(zhǔn)[11]：(1)在1 g加速度下，構(gòu)件的變形量不應(yīng)超過1 mm；(2)在3 g加速度下，構(gòu)件的變形量不應(yīng)超過3 mm.由靜態(tài)有限元分析結(jié)果可見，箱體上蓋是剛度薄弱件，需進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計.

1.3 模態(tài)分析結(jié)果

在車輛實際行駛過程中，電池包的受力是復(fù)雜多變的，對其動態(tài)特性的研究是必不可少的，最主要的是模態(tài)分析.

基于Lanczos方法，提取箱體結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率，其中前三階固有頻率均低于30 Hz，一階固有頻率僅為13.66 Hz，發(fā)生共振的風(fēng)險較大.由前六階振型圖4可見，共振區(qū)域均發(fā)生在箱體上蓋，分別存在1～4處共振區(qū)域不等，上蓋均呈現(xiàn)不同形式的上下振動，發(fā)生彎曲變形，可見其動剛度不足，亟待加強(qiáng).

(a)一階模態(tài)

(b) 二階模態(tài)

(c)三階模態(tài)

(d) 四階模態(tài)

(e) 五階模態(tài)

(f) 六階模態(tài)圖4 電池包箱體模態(tài)分析結(jié)果

通常路面激勵頻率f其表達(dá)式式為：

式中：V為車輛行駛速度，單位為km/h；λ為路面不平度波長，單位為m.

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頻率.表3給出了3種常見路面對應(yīng)的激勵頻率，可見，由路面不平度產(chǎn)生的激勵頻率最高為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)計要求.

表3 不同類型路面的激勵頻率

2 上蓋形貌優(yōu)化設(shè)計

2.1 上蓋簡化有限元計算

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).為簡化計算將箱體上蓋從電池包模型中單獨(dú)抽離出來，其中上蓋平板為優(yōu)化區(qū)域，而與下箱體相接的帶螺栓孔的折彎結(jié)構(gòu)，為非優(yōu)化區(qū)域，圖5為簡化的箱體上蓋有限元模型.在顛簸工況下對其進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)計算，并與前文進(jìn)行對比，以驗證該簡化方法的有效性.圖6給出了簡化上蓋的位移云圖，最大變形處仍發(fā)生在上蓋中心，變形量為20 mm，與前文詳細(xì)模型計算結(jié)果較為接近；對比表4可知，兩種模型前六階固有頻率極為接近，最大相對誤差僅為1.12%，故上蓋簡化模型完全可以替代上文電池包的詳細(xì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.

圖5 上蓋的有限元模型

圖6 顛簸工況下的位移云圖

表4 簡化模型與詳細(xì)模型固有頻率對比

2.2 上蓋優(yōu)化設(shè)計

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，可保證在瞬時加速下上蓋不會與電池模組發(fā)生碰撞，一階固有頻率下限設(shè)為28 Hz(前文平坦路面產(chǎn)生的激勵頻率最高，為27.78 Hz).以總體積最小為目標(biāo)，進(jìn)行上蓋的優(yōu)化設(shè)計.

靜態(tài)位移和一階固有頻率經(jīng)過25次迭代計算后收斂，兩者均能滿足給定的參數(shù)要求，圖7即為優(yōu)化后箱體上蓋形貌圖.可見，優(yōu)化后上蓋凸包結(jié)構(gòu)基本呈對稱分布，即左右兩側(cè)的E型凸包和前后的矩形凸包.其中，E型凸包高度大約為5～6 mm，矩形凸包厚度基本達(dá)到了最大約束值10 mm.

圖7 優(yōu)化后上蓋形貌

依據(jù)優(yōu)化后的上蓋形貌云圖并結(jié)合單元尺寸，可提取出E型和F型兩種凸包結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，其中E型凸包高度設(shè)定為6 mm，矩形凸包高度設(shè)定為10 mm，拔模角均定為70°.如圖8、9所示采用Solidworks三維建模軟件構(gòu)建凸包結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后箱體上蓋三維模型如圖10所示.

圖8 矩形凸包結(jié)構(gòu)

圖9 E型凸包結(jié)構(gòu)

圖10 優(yōu)化后上蓋三維模型

2.3 上蓋優(yōu)化效果分析

改進(jìn)后上蓋的固有頻率較原模型有較大提高，平坦路面激勵頻率均低于一階固有頻率，滿足設(shè)計要求，可以避免共振情況發(fā)生.由顛簸工況下優(yōu)化后上蓋的位移云圖和應(yīng)力云圖11、12可見，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.

圖11 顛簸工況下優(yōu)化后上蓋的位移云圖

圖12 顛簸工況下優(yōu)化后上蓋的應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

基于ANSYS Workbench軟件，對電池包進(jìn)行靜、動態(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)，以動剛度和靜剛度為約束指標(biāo)，獲得矩形凸包和E型凸包的結(jié)構(gòu)布局和幾何參數(shù)，結(jié)合Solidworks三維建模軟件，建立了優(yōu)化后箱體上蓋的三維模型.經(jīng)驗證，優(yōu)化后上蓋最大變形量較優(yōu)化前降低了72%，僅為5.7 mm，一階固有頻率提升至28.55 Hz，可避免共振情況發(fā)生，最大等效應(yīng)力減小至101 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，可見優(yōu)化后上蓋的剛度、強(qiáng)度均得到顯著提升.