基于ABAQUS的某輕卡蓄電池支架輕量化對(duì)比研究

吳蒙

基于ABAQUS的某輕卡蓄電池支架輕量化對(duì)比研究

吳蒙

（江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

為積極響應(yīng)國(guó)家輕卡藍(lán)牌政策，落實(shí)整備質(zhì)量輕量化工作，文章基于ABAQUS仿真軟件，采集襄陽試驗(yàn)場(chǎng)安裝蓄電池支架處的車架加速度信號(hào)，開展了高強(qiáng)鋼輕量化方案和鋁合金輕量化方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)兩款蓄電池支架輕量化方案進(jìn)行了CAE強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示，兩款輕量化方案滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，輕量化效果顯著，可推廣實(shí)車應(yīng)用。

輕卡；蓄電池支架；輕量化

引言

隨著新冠疫情后的世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇及國(guó)內(nèi)雙循環(huán)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民的物質(zhì)生活水平穩(wěn)步提高，同時(shí)藍(lán)牌輕卡因其可進(jìn)城，具有路權(quán)優(yōu)勢(shì)，商用輕卡銷量也得到迅猛攀升[1-2]。與此同時(shí)，隨著國(guó)家嚴(yán)格的藍(lán)牌上牌政策要求及治理空車超重問題，輕卡輕量化已經(jīng)上升到重要高度。

輕卡的重量屬性是重量在整車內(nèi)的分布，是影響行駛性能和使用的重要因素。輕量化，是指基于汽車設(shè)計(jì)理論和CAE及工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)等方法路徑，應(yīng)用高強(qiáng)鋼材質(zhì)及鋁合金材質(zhì)及其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確保系統(tǒng)零部件自身的性能不下降的前置條件下，最大化地降低零部件質(zhì)量。

由于具有良好的強(qiáng)度和延展性及相對(duì)低廉的制造成本，鋼一直是汽車工業(yè)的重要材料之一，高強(qiáng)鋼具有高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度性能，具有良好的輕量化應(yīng)用前景。而鋁合金材質(zhì)，其密度約為鋼材的三分之一，同時(shí)具有高比強(qiáng)度、抗腐蝕性性能等優(yōu)勢(shì)，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[3-5]。

蓄電池是輕卡不可缺少的系統(tǒng)部件，如圖1，為整車啟動(dòng)和影音娛樂系統(tǒng)提供必要的電能來源，整車的性能是否正常工作與蓄電池系統(tǒng)工作狀態(tài)緊密相關(guān)，故蓄電池安裝支架既要確保本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)也要追求零部件自身輕量化。

本文首先開展了高強(qiáng)鋼和鋁合金蓄電池支架兩個(gè)輕量化方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)在襄陽試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)某輕卡的蓄電池支架安裝區(qū)域的車架進(jìn)行了加速度采集測(cè)試，并對(duì)兩款輕量化方案分別進(jìn)行了靜強(qiáng)度對(duì)比分析，結(jié)果表明，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，該鋁合金支架減重取得減輕1.3 kg，高強(qiáng)鋼蓄電池支架減輕了0.5 kg，兩款方案輕量化效果顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 蓄電池支架輕量化方案CAE強(qiáng)度對(duì)比分析

1.1 蓄電池支架輕量化方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CAE有限元模型

不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，其所要求的蓄電池功率電壓不同，常見的為12 V和24 V蓄電池。本文研究的蓄電池系統(tǒng)，其電壓為12 V，也稱為單電瓶，其固定安裝支架是通過四個(gè)M10螺栓與車架縱梁固聯(lián)，蓄電池放置于托盤支架內(nèi)，并通過具有壓緊力的壓板進(jìn)行緊固，如圖1，基礎(chǔ)蓄電池支架方案材料為DC01，厚度為2 mm，基礎(chǔ)支架重量為3.3 kg，高強(qiáng)鋼輕量化方案，是將支架材料提升為B510L，該材料屈服強(qiáng)度是DC01材料的2.5倍，同時(shí)進(jìn)行深一步的減重孔設(shè)計(jì)，料厚由現(xiàn)有的2.7 mm減薄至2 mm，減重量達(dá)到0.5 kg。鋁合金輕量化方案，是使用6系列輕質(zhì)鋁合金材料，支架厚度維持基礎(chǔ)方案，重量減輕了1.2 kg，該支架為擠壓成型件。

圖1 某輕卡蓄電池支架

有限元模型主要采用四邊形和三角形單元?jiǎng)澐郑铍姵夭捎肧olid實(shí)體單元模擬，支架后端安裝孔約束全部自由度，上壓板和下托板與蓄電池本體采用rigid單元連接，三款蓄電池支架方案結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2。

圖2 蓄電池支架輕量化方案

1.2 蓄電池支架輕量化方案CAE強(qiáng)度分析

根據(jù)測(cè)試得到的加速度數(shù)據(jù)，本文對(duì)基礎(chǔ)蓄電池支架方案和高強(qiáng)鋼輕量化方案及鋁合金蓄電池支架輕量化方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比分析，結(jié)果表明，其中X5工況下，基礎(chǔ)支架方案和高強(qiáng)鋼輕量化方案及鋁合金支架輕量化方案最大應(yīng)力分別為264 MPa、23 MPa和34.4 MPa，Y5 g工況下，基礎(chǔ)支架方案和高強(qiáng)鋼輕量化方案及鋁合金支架輕量化方案最大應(yīng)力分別為76.1 MPa、62.4 MPa和29.1 MPa，Z5工況下，基礎(chǔ)支架方案和高強(qiáng)鋼輕量化方案及鋁合金支架輕量化方案最大應(yīng)力分別為135.5 MPa、25.9 MPa和121.4 MPa。結(jié)果表明，高強(qiáng)鋼輕量化方案應(yīng)力改善效果非常顯著，而鋁合金輕量化支架輕量化效果非?？捎^，兩個(gè)輕量化方案支架最大應(yīng)力都小于材料本身的屈服強(qiáng)度，故滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖4 蓄電池高強(qiáng)鋼支架輕量化方案強(qiáng)度分析結(jié)果

2 蓄電池支架加速度試驗(yàn)

2.1 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、山路等路面[4]。本文輕卡整車耐久試驗(yàn)開展的主要是壞路考核，包括搓板路和扭曲路等路面（圖6）。

2.2 蓄電池支架安裝位置車架處的加速度采集

本文在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了某電動(dòng)輕卡蓄電池支架安裝位置車架處的加速度采集試驗(yàn)，圖7為加速度傳感器布置安裝位置示意圖，整車GVW質(zhì)量5 995 kg。

圖7 蓄電池支架加速度傳感器布點(diǎn)位置圖

2.3 加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了多輪壞路工況采集，基礎(chǔ)方案的蓄電池支架加速度數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如圖8，蓄電池支架固定端前進(jìn)方向峰值加速度為3.2，向峰值為3.1，高度方向最大值達(dá)到4.6，兼顧設(shè)計(jì)余量，本文輸入于兩款輕量化方案支架的CAE強(qiáng)度分析的載荷激勵(lì)為X5，Y5，Z5。

圖8 蓄電池支架加速度測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文開展了高強(qiáng)鋼和鋁合金蓄電池支架兩個(gè)輕量化方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)在試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)某輕卡的蓄電池支架安裝區(qū)域的車架進(jìn)行了加速度采集測(cè)試，并對(duì)兩款輕量化方案分別進(jìn)行了靜強(qiáng)度對(duì)比分析基于結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)和數(shù)值分析理論，對(duì)某輕卡蓄電池鋁合金輕量化支架進(jìn)行了輕量化CAE強(qiáng)度對(duì)比分析，結(jié)果如下：

蓄電池支架加速度實(shí)測(cè)峰值為向5，向5，向5。

高強(qiáng)鋼蓄電池支架輕量化方案應(yīng)力改善幅度比顯著，實(shí)現(xiàn)減重0.5 kg；

鋁合金蓄電池支架輕量化方案，最大應(yīng)力小于6系鋁合金材料本身的屈服強(qiáng)度，且輕量化效果更優(yōu)，減重達(dá)到1.3 kg。

[1] 張磊,李信麗,黃勤.基于Nastran的某新能源輕卡電池包支架強(qiáng)度性能研究[J].南方農(nóng)機(jī),2020,51(18):191-192.

[2] 廖奇峰,李智威,黃德明,等.基于ABAQUS的某商用車ECU支架輕量化研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020,45(22):73-74+83.

[3] 王友華,靖娟,鐘秤平.基于頻率響應(yīng)的某車型ECU支架CAE強(qiáng)度分析與優(yōu)化[J].機(jī)械工程師,2019(06):114-116.

[4] 謝東明,邱彬,柴智勇,等.基于乘用車ABS試驗(yàn)的各試驗(yàn)場(chǎng)低附著路面現(xiàn)狀分析[J].汽車技術(shù),2016(11):36-39.

[5] 王銳,蘇小平.汽車副車架強(qiáng)度模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(04):152-154.

Comparative Research on Lightweight of a Light Truck Battery Based on ABAQUS

WU Meng

( Product Development & Technical Center, JiangLing Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001 )

In order to actively respond to the national light truck blue card policy and implement the lightweight work of servicing quality, based on ABAQUS simulation software, this paper collects the acceleration signal of the frame where the battery bracket is installed in Xiangyang test field, and carried out the structural design of high strength steel lightweight scheme and aluminum alloy lightweight scheme, and carries out the CAE strength analysis of two battery bracket lightweight scheme meets the require- ments of design objectives, and the lightweight effect is remarkable, which can be applied in real vehicles.

Light truck;Battery bracket;Lightweight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.022

U463.63+3

A

1671-7988(2021)24-97-04

U463.63+3

A

1671-7988(2021)24-97-04

吳蒙，就職于江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心。