基于NASTRAN的某輕卡蓄電池鋁合金 支架輕量化研究

方明耀，董勇峰，黃 勤

（江西五十鈴汽車有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330010）

引言

隨著國(guó)家物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，城市物流市場(chǎng)和農(nóng)村運(yùn)輸市場(chǎng)對(duì)輕卡需求愈發(fā)增大，商用輕卡市場(chǎng)銷量節(jié)節(jié)攀升[1-2]。與此同時(shí)，隨著國(guó)家嚴(yán)格的藍(lán)牌上牌政策要求，商用輕卡輕量化減重已經(jīng)迫在眉睫。

輕量化技術(shù)，是指結(jié)合相關(guān)理論和CAE及試驗(yàn)等優(yōu)化方法，采用輕質(zhì)材料替換等手段，在保證零部件本身的綜合性能持平的條件下，減輕零部件本身的質(zhì)量。

鋁合金材質(zhì)，其密度約為鋼材的1/3，同時(shí)具有高比強(qiáng)度、抗腐蝕性、高力學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)，與一般的合金材料相比，其塑性較好，加工工藝簡(jiǎn)單，基于此優(yōu)勢(shì)，鋁合金材料在商用車輕量化設(shè)計(jì)中有著較為突出的優(yōu)勢(shì)，大范圍應(yīng)用于整車底盤和車身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[3-4]。

蓄電池是輕卡必不可少的一部分，為整車啟動(dòng)和影音娛樂系統(tǒng)提供必要的電能，整車的性能發(fā)揮整車與否與蓄電池系統(tǒng)功能是否良好工作緊密相關(guān)，故蓄電池安裝固定支架既要確保本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)零部件減重目標(biāo)。

本文首先利用相關(guān)測(cè)試設(shè)備，在襄陽試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)某款輕卡的蓄電池支架進(jìn)行了道路加速度采集測(cè)試分析，隨后利用CAE分析軟件，對(duì)蓄電池鋁合金支架輕量化方案分別進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析和有限元模態(tài)分析，結(jié)果表明，本文研究的蓄電池鋁合金支架輕量化方案成功避開了整車怠速頻率26.7 Hz，在靜態(tài)強(qiáng)度工況下，鋁合金支架最大應(yīng)力均小于6061鋁合金材料屈服極限強(qiáng)度，該支架減重取得減輕1.2 kg效果。

1 蓄電池支架加速度試驗(yàn)

1.1 襄陽試驗(yàn)場(chǎng)耐久道路工況

襄陽汽車試驗(yàn)場(chǎng)是我國(guó)汽車行業(yè)內(nèi)著名的綜合性汽車試驗(yàn)場(chǎng)地，擁有壞路、平路、山路等路面[5]。本文開發(fā)的輕卡整車耐久試驗(yàn)開展的是壞路和山路考核，主要包括扭曲路和比利時(shí)路等路面（圖1）。

圖1 襄陽試驗(yàn)場(chǎng)路面示意圖

1.2 蓄電池支架加速度采集

本文在襄陽試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了某輕卡蓄電池支架加速度采集試驗(yàn)，圖2為加速度傳感器布點(diǎn)位置說明，整車GVW質(zhì)量4 495 kg。

圖2 蓄電池支架加速度傳感器布點(diǎn)位置圖

1.3 蓄電池支架試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文在襄陽試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了四輪壞路工況采集，鋁合金蓄電池支架加速度數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如圖3，蓄電池支架固定端前進(jìn)方向峰值加速度為1.2 g，Y向峰值加速度為1.8 g，高度方向最大值達(dá)到5.6 g，兼顧設(shè)計(jì)使用余量，本文輸入于鋁合金蓄電池支架強(qiáng)度分析的載荷激勵(lì)為X5 g，Y5 g，Z6 g。

圖3 蓄電池支架加速度測(cè)試數(shù)據(jù)

2 蓄電池支架CAE輕量化分析

2.1 模態(tài)分析理論

零部件模態(tài)頻率及其振型是分析振動(dòng)特性基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析可確定結(jié)構(gòu)NVH特性[5]。

某商用輕卡鋁合金蓄電池支架的振動(dòng)方程為[5]：

式（1）中，[M]是蓄電池系統(tǒng)總質(zhì)量矩陣；C為蓄電池系統(tǒng)阻尼矩陣；[K]為蓄電池系統(tǒng)總剛度矩陣；為系統(tǒng)加速度向量；{q}為系統(tǒng)位移向量。

2.2 蓄電池鋁合金支架FEA模型

某輕卡車型蓄電池支架通過四個(gè)M8螺栓與車架縱梁建立連接，而鉛酸蓄電池模塊通過上壓板與支架建立約束關(guān)系。基礎(chǔ)蓄電池支架方案材料為厚度為DC01，厚度為2 mm，基礎(chǔ)方案蓄電池支架重量為3.25 kg，輕量化方案為使用6061系列輕質(zhì)鋁合金材料，厚度也為2 mm，重量減輕了1.2 kg，該支架為擠壓成型件，模型主要采用長(zhǎng)方形單元?jiǎng)澐?，蓄電池采用Solid單元模擬，支架后端安裝孔自由度全約束，上壓板和下托板與蓄電池本體采用REB2單元連接，普鋼基礎(chǔ)方案和鋁合金輕量化方案FEA模型見圖4。

圖4 蓄電池支架有限元模型

2.3 蓄電池鋁合金輕量化支架NVH模態(tài)分析

本文對(duì)蓄電池鋁合金支架輕量化方案進(jìn)行了NVH模態(tài)分析，得到該系統(tǒng)頻率及振型。圖5顯示，蓄電池鋁合金支架輕量化方案自由模態(tài)為53.6 Hz，約束模態(tài)為184 Hz，該車型整車怠速頻率為26.7 Hz，由分析結(jié)果可知，鋁合金輕量化支架有效避開了共振風(fēng)險(xiǎn)，滿足目標(biāo)。

圖5 蓄電池鋁合金支架輕量化方案CAE模態(tài)分析結(jié)果

2.4 鋁合金蓄電池輕量化支架強(qiáng)度分析

根據(jù)上述測(cè)試的加速度數(shù)據(jù)，本文對(duì)鋁合金蓄電池支架輕量化方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，結(jié)果表明，其中X5 g工況下，該輕量化支架最大應(yīng)力為34.4 MPa，Y向5g工況下，該輕量化支架最大應(yīng)力為29.1 MPa，Z向6 g工況下，該輕量化支架最大應(yīng)力為121.4 MPa，而6061鋁合金材料屈服強(qiáng)度為240 MPa，因此該蓄電池鋁合金輕量化支架最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖6 蓄電池鋁合金支架輕量化方案強(qiáng)度分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)和數(shù)值分析理論，采用CAE分析軟件，同時(shí)測(cè)試了襄陽達(dá)安試驗(yàn)場(chǎng)的鋁合金蓄電池支架加速度，對(duì)某輕卡蓄電池鋁合金輕量化支架進(jìn)行了輕量化分析，結(jié)果如下：

蓄電池支架加速度實(shí)測(cè)峰值為X向5 g，Y向5 g，Z向6g。

蓄電池鋁合金支架NVH模態(tài)結(jié)果顯示，自由模態(tài)頻率為53.6 Hz，約束模態(tài)頻率為184 Hz，某輕卡的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的激勵(lì)頻率為26.7 Hz，該輕量化支架避開了怠速共振頻率，滿足目標(biāo)。

蓄電池鋁合金支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果顯示，該支架滿足強(qiáng)度目標(biāo)要求，同時(shí)輕量化效果顯著。