某車型純電汽車動力大支架強度優(yōu)化分析

王雨，王圣波，羊定侯，劉鋼

(1. 一汽海馬汽車有限公司，海南 ?？?570216；2. 海南職業(yè)技術(shù)學院 工業(yè)與信息學院，海南 ?？?570216)

0 引言

傳統(tǒng)的汽車動力系統(tǒng)是指由發(fā)動機產(chǎn)生的動力，經(jīng)一系列的動力傳遞，最終傳到車輪的整個機械傳動過程[1]。純電動汽車的動力系統(tǒng)主要包括三部分：動力源、驅(qū)動系統(tǒng)和電力電子系統(tǒng)。電機驅(qū)動部分有兩種方式，一種是集中式驅(qū)動，一輛車就一個驅(qū)動電機；另一種是多電機，屬于分布式驅(qū)動。電力電子部件的位置或連接方式直接決定了系統(tǒng)的具體構(gòu)型，動力系統(tǒng)的連接方式不同，整體構(gòu)型也就不同?？偠灾还苣姆N類型的動力系統(tǒng)，電驅(qū)動系統(tǒng)都是它們的核心[2]。搭載動力系統(tǒng)總成的大支架作為汽車結(jié)構(gòu)的重要零部件，在動力系統(tǒng)中起著重要的連接作用。動力大支架下端連接的驅(qū)動系統(tǒng)主要包括水泵、驅(qū)動電機、減速器和壓縮機。動力大支架上端連接的電力電子系統(tǒng)主要包括副水箱、動力控制單元和車載充電器等，如圖1所示。動力總成大支架的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是否合理，直接影響到純電動車的使用壽命和制造成本，關(guān)系到車輛的駕駛安全和市場口碑。

圖1 動力大支架系統(tǒng)

隨著有限元技術(shù)的快速發(fā)展以及計算機硬件技術(shù)的不斷進步，有限元技術(shù)廣泛應(yīng)用在車架等汽車零部件的設(shè)計分析中[3-5]。本文對某車型新開發(fā)純電動汽車搭載動力總成的動力大支架進行結(jié)構(gòu)強度仿真，針對初始動力大支架的強度分析結(jié)果不滿足材料強度要求問題，對該支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)強度最終滿足設(shè)計要求。本文使用的軟件及處理方式主要有：1)在前處理軟件平臺HyperMesh進行有限元(finite element，F(xiàn)E)模型搭建；2)求解器應(yīng)用Nastran進行強度分析求解；3)計算結(jié)果在后處理軟件平臺HyperView數(shù)據(jù)讀取和分析處理。

1 動力大支架強度仿真分析流程介紹

為檢驗動力大支架是否具有抵抗外力破壞的能力，需要對動力大支架進行結(jié)構(gòu)強度仿真分析，具體的有限元仿真分析流程如圖2所示。

圖2 零部件結(jié)構(gòu)強度分析流程

根據(jù)分析流程搭建的結(jié)構(gòu)強度FE模型分析結(jié)果，如果各個工況下零部件受到最大應(yīng)力均小于其材料的屈服強度，理論上該零部件就滿足強度要求；反之，如果其中之一的工況分析結(jié)果存在零部件不滿足強度要求，需要對受到最大應(yīng)力的零部件進行優(yōu)化，提出合理的優(yōu)化方案，增強相應(yīng)零部件的強度，使其滿足強度要求。

2 動力大支架FE模型搭建

2.1 劃分網(wǎng)格及檢查模型

根據(jù)動力大支架的尺寸選定劃分有限元網(wǎng)格的尺寸標準為6mm，理想網(wǎng)格的尺寸最小為5.5mm，最大為6.5mm，網(wǎng)格的類型選擇2D面網(wǎng)格；動力大支架上板、加強板和下板3個零件之間用螺栓連接；根據(jù)不同螺栓孔的直徑建立不同的washer塑性應(yīng)變殘留網(wǎng)格；動力大支架上板和下板之間、動力大支架上板和加強板以及動力大支架下板和加強板之間都采用滿焊方式連接。

FE模型檢查主要包括以下幾點：1)是否有自由邊；2)是否有重復單元；3)單元的尺寸是否合格；4)翹曲和雅可比是否在要求范圍內(nèi)等；5)保證網(wǎng)格單元中三角形單元的數(shù)量不要超過網(wǎng)格總數(shù)的5%。以上要求是確保搭建的FE模型計算穩(wěn)定可靠，避免不收斂。圖3是動力大支架初始結(jié)構(gòu)的FE模型。

圖3 動力大支架原結(jié)構(gòu)FE模型

2.2 賦予材料屬性

根據(jù)整車BOM(bill of material)表物料清單，對于動力大支架FE模型的材料屬性賦予包括兩方面：材料性能和材料厚度。動力大支架上板、動力大支架下板的材料都是B340/590，屈服強度是340MPa，上板和下板的材料厚度均是3mm；加強板的材料是Q235，屈服強度是235MPa，材料厚度是5mm；卡片屬性選用殼單元。

2.3 建立連接

本文研究的動力大支架各零部件連接采用的是焊縫連接，動力大支架上板和下板之間、上板和加強板之間以及下板和加強板之間都采用滿焊連接。焊縫采用面網(wǎng)格的方式來模擬，圖4是焊縫模擬示意圖，圖中間一層網(wǎng)格是焊縫，上下兩層網(wǎng)格分別代表動力大支架上板和下板。

圖4 縫焊模擬示意圖

2.4 搭建邊界條件

動力大支架的約束方式采用慣性釋放。由于無法采集到新能源動力大支架的工況標準，本文選取的工況是傳統(tǒng)燃油車的道路載荷工況標準，它主要包括表1中的7個工況。

表1 工況信息表

2.5 求解FE模型

運用Nastran對動力大支架進行應(yīng)力分析，得到其在7種不同工況下的最大應(yīng)力云圖如圖5-圖11所示。

圖5 工況1最大應(yīng)力

圖6 工況2最大應(yīng)力

圖7 工況3最大應(yīng)力

圖8 工況4最大應(yīng)力

圖9 工況5最大應(yīng)力

圖10 工況6最大應(yīng)力

圖11 工況7最大應(yīng)力

從圖5-圖11可以看出，動力大支架在工況3下受到的最大應(yīng)力值最大，高達330.2MPa，接近材料的屈服強度340MPa，最大應(yīng)力位置在動力大支架下板凹槽靠近焊縫處。雖然計算結(jié)果滿足材料的最大屈服強度，但供應(yīng)商考慮動力大支架上板和下板之間采用滿焊連接容易引起應(yīng)力集中導致動力大支架下板凹陷，建議采用點焊+段焊的方式連接，以減小動力大支架下板受到的應(yīng)力集中。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果的對比分析

3.1 優(yōu)化FE模型

FE模型優(yōu)化主要從以下兩方面進行優(yōu)化：第一，從連接方式上優(yōu)化。動力大支架上板和下板之間、動力大支架上板和加強板以及動力大支架下板和加強板之間的連接方式都由原結(jié)構(gòu)滿焊優(yōu)化為點焊+段焊；第二，從動力大支架結(jié)構(gòu)上優(yōu)化。加強板由2塊更改為4塊，厚度由5mm變更為6mm，通過以上兩方面的優(yōu)化來減小材料受到的最大應(yīng)力。優(yōu)化前后的FE模型如圖12、圖13所示。

圖12 原結(jié)構(gòu)動力大支架

圖13 新結(jié)構(gòu)動力大支架

動力大支架上板和下板之間除了段焊，還有部分采用點焊方式連接。段焊依然采用畫網(wǎng)格的方式表示，點焊的示意圖如圖14所示。

圖14 點焊模擬示意圖

3.2 仿真分析結(jié)果及對比

1)優(yōu)化后新結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

運用Nastran對新結(jié)構(gòu)動力大支架進行仿真分析，得到其在7種不同工況下的最大應(yīng)力如圖15-圖21所示。從圖中可以看出動力大支架在工況3下受到的最大應(yīng)力值最大高達191.6MPa，和原結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力330.2MPa相比，最大應(yīng)力在一定程度上有了很大的改善。

圖15 優(yōu)化后工況1最大應(yīng)力

圖16 優(yōu)化后工況2最大應(yīng)力

圖17 優(yōu)化后工況3最大應(yīng)力

圖18 優(yōu)化后工況4最大應(yīng)力

圖19 優(yōu)化后工況5最大應(yīng)力

圖20 優(yōu)化后工況6最大應(yīng)力

圖21 優(yōu)化后工況7最大應(yīng)力

2)仿真結(jié)果分析對比

優(yōu)化后新結(jié)構(gòu)動力大支架受到的最大應(yīng)力比初始整體結(jié)構(gòu)動力大支架受到的最大應(yīng)力小約140MPa，優(yōu)化后整體結(jié)構(gòu)強度提高顯著。這主要是因為優(yōu)化了兩個地方：1)焊接方式由滿焊優(yōu)化為點焊+段焊，因為滿焊容易引起應(yīng)力集中；2)增加了加強板的塊數(shù)和厚度。兩種結(jié)構(gòu)對比結(jié)果如表2所示。

表2 兩種結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值對比表 單位：MPa

4 結(jié)語

動力大支架作為動力系統(tǒng)的重要零部件，在連接車身和各驅(qū)動系統(tǒng)及電力電子系統(tǒng)方面起著不可忽視的作用。

本文基于某車型的動力大支架，雖然初始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力可以滿足強度要求，但是滿焊的工藝較難保證強度一定合格。通過對初始結(jié)構(gòu)的動力大支架進行優(yōu)化：優(yōu)化動力大支架上下板及加強板的焊接方式由滿焊變?yōu)辄c焊+段焊以及增加加強板的塊數(shù)和厚度。由仿真結(jié)果可以看出優(yōu)化后的動力大支架受到的最大應(yīng)力有明顯改善，并滿足強度要求。