基于ABAQUS的電池包支撐架的優(yōu)化分析

祝方方，于 偉，王 東，張萬良

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

1 引言

響應(yīng)國家使用清潔能源的號召，新能源電動汽車逐漸進(jìn)入千家萬戶，動力電池作為電動汽車能量儲存的載體，是電動汽車的關(guān)鍵部件[1]。電池包支撐架是連接電池包到車身的關(guān)鍵零部件，也會承受車身的振動、沖擊，電池包支撐架作為電池包的保護(hù)傘，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度對電池包和整車的安全性至關(guān)重要，因此電池包支撐架也要滿足振動沖擊等動態(tài)性能的要求。

CAE仿真分析相與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，可以縮短設(shè)計(jì)周期降低試驗(yàn)成本和開發(fā)模具的成本，現(xiàn)已在結(jié)構(gòu)件的動靜態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中大規(guī)模使用[2]。Simlab是具有流程導(dǎo)向的、基于特征識別的有限元建模軟件，可以高效、高質(zhì)量的劃分網(wǎng)格，無需枯燥的幾何清理和去除幾何錯誤，減少人為錯誤和用于創(chuàng)建有限元模型的時間消耗[3]。

為了校核某新能源汽車電池包支撐架結(jié)構(gòu)的可靠性，利用ABAQUS有限元軟件，對電池包支撐架進(jìn)行模態(tài)、隨機(jī)振動和車輛行駛工況的仿真分析，得到仿真結(jié)果，并針對得到的仿真結(jié)果對電池包支撐架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。采用Simlab對電池包支撐架模型進(jìn)行前處理工作，然后基于ABAQUS軟件求解以及后處理，對電池包支撐架進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動分析，驗(yàn)證電池包支撐架的可靠性。

2 創(chuàng)建模型與工況

2.1 創(chuàng)建有限元模型

圖1中所示為某項(xiàng)目電池包支撐架三維結(jié)構(gòu)。該電池包支撐架X方向長度為1 550 mm，Y方向長度為1 820 mm，Z方向長度為1 200 mm，具體如圖1(a)所示。電池包支撐架的材料為Q235鋼材，電池包箱體材料為6061鋁合金；表1所示為材料參數(shù)。電池包支撐架鋼材的厚度為4 mm，四周有支撐腿對電池包支撐架加固，支撐架通過底面12個螺栓連接固定到車身上如圖1(a)所示；八個電池包排列在支撐架上，每個電池包通過六個螺栓固定在電池包支撐架上。

完成設(shè)計(jì)后，利用Simlab軟件對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型中的單元類型為C3D10M，主體網(wǎng)格單元平均尺寸為6 mm，曲面部分單元尺寸為2～3 mm螺栓處進(jìn)行Washer處理。模組以質(zhì)量點(diǎn)的形式施加在電池包內(nèi)，每個電池包內(nèi)模組的質(zhì)量為210 kg，電池包箱體以實(shí)體的形式放置在支撐架上，用RBE2單元來模擬電池包在支撐架的螺栓連接方式，定義材料和材料屬性。各個材料屬性如表1所示。創(chuàng)建好的電池包支撐架的有限元模型如圖1(b)所示。

圖1 (a)(b)分別為優(yōu)化前電池包支撐架三維結(jié)構(gòu)圖和有限元模型；(c)(d)分別為優(yōu)化后電池包支撐架三維結(jié)構(gòu)和有限元模型Fig.1 (a) and (b) are respectively the 3D structure diagram and finite element model diagram of the battery pack support frame before optimization; (c) and (d) are respectively the 3D structure diagram and finite element model diagram of the optimized battery pack support frame.

表1 電池包支撐架和電池包箱體材料參數(shù)Table 1 Battery pack support frame and battery pack box material parameters.

2.2 創(chuàng)建工況

模態(tài)工況：采用Lanczos方法，頻率范圍取0～200 Hz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)阻尼取0.02。模態(tài)分析可得到機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，是分析其他動力學(xué)問題的起點(diǎn)，其主要目的是防止共振以及因振動產(chǎn)生的危險(xiǎn)[4]。

隨機(jī)振動工況：創(chuàng)建隨機(jī)振動分析工況，振動測試在三個方向上進(jìn)行，按照在整車上的安裝方式安裝，整車前進(jìn)方向?yàn)閄方向，豎直方向?yàn)閆方向，根據(jù)右手定則確定Y向。依據(jù)國標(biāo)GB 38031-2020要求創(chuàng)建X、Y、Z三個方向上對應(yīng)的測試參數(shù)功率譜密度(power spectral density,PSD)值。

制動、轉(zhuǎn)彎和減速帶工況：車輛在行駛過程中因啟動、剎車、轉(zhuǎn)彎和過減速帶時在車輛行駛方向產(chǎn)生(即X向)、側(cè)向(即Y向)和豎向(即Z向)產(chǎn)生的沖擊狀況。這些工況為動態(tài)的工況，因?yàn)轱@示動態(tài)的算法計(jì)算時間較長，因此采用靜態(tài)的計(jì)算方法，選取這些工況中產(chǎn)生的最大沖擊以靜載的形式施加，可以縮短計(jì)算時間，提高計(jì)算效率。給電池包支撐架X、Y、Z三個方向分別施加的1.5 g、1.5 g、1.2 g的靜載荷，來模擬電池包支撐架在車輛制動、轉(zhuǎn)彎和過減速帶時所受到的沖擊，觀察支撐架所受應(yīng)力情況判斷支撐架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度制。

3 有限元仿真結(jié)果分析

3.1 模態(tài)分析

從工程的角度來看零部件的一階模態(tài)較為重要，因?yàn)橐浑A模態(tài)可以展現(xiàn)出零部件的扭曲或彎曲的固有頻率[5]。汽車在道路行駛過程中振動的主要頻率段為1～33 Hz，為防止產(chǎn)生共振，這就要求電池包支撐架的一階模態(tài)高于33 Hz。如果一階模態(tài)在主要的激勵頻率內(nèi)，車輛在行駛過程中極易產(chǎn)生共振，使結(jié)構(gòu)發(fā)生異響，影響車輛的乘坐舒適性，嚴(yán)重時還會引起零部件斷裂失效[6]，威脅人們的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

運(yùn)用ABAQUS有限元仿真軟件對電池包支撐架(支撐架1)進(jìn)行約束模態(tài)分析計(jì)算，得到約束模態(tài)，前三階模態(tài)振型如圖2所示。通過對電池包支撐架的約束模態(tài)分析可知，支撐架1的一階模態(tài)為18.516 Hz，在汽車共振頻率范圍內(nèi)，明顯不符合剛度上的要求，因此需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高電池包支撐架的剛度。由一到三階模態(tài)可知，支撐架主要在支架上部扭曲旋轉(zhuǎn)，因此可以通過加上部固定點(diǎn)提高支撐架的剛度。

(a)(b)和(c)分別為電池包支撐架一階模態(tài)、二階模態(tài)和三階模態(tài)Fig.2 (a),(b) and (c) are the first-order mode,second-order mode and third-order mode of battery pack support frame respectively.

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在不增加支撐架重量的要求下，通過改變支撐架的固定方式，增加電池包支撐架的剛度，去掉冗長的支撐臂，將與車身固定的支撐架內(nèi)移，支撐架頂部的Y方向上增加四個固定點(diǎn)，具體位置見圖1(c)。優(yōu)化之后該電池包支撐架X方向長度為1 250 mm，Y方向長度為1 520 mm，Z方向長度為1 200 mm，相應(yīng)的創(chuàng)建好的電池包支撐架的有限元模型如圖1(d)所示。

4.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

優(yōu)化電池包支撐架結(jié)構(gòu)和固定點(diǎn)后，運(yùn)用ABAQUS有限元仿真軟件對電池包支撐架(支撐架2)進(jìn)行約束模態(tài)分析計(jì)算，得到約束模態(tài)，第一階到第三階模態(tài)振型見圖3。與支撐架1進(jìn)行對比，對比參數(shù)見表2，支撐架2的一階提升至40.35 Hz，成功避開了汽車共振頻率范圍，同時支架擺動幅度也明顯減小，提高了整車的舒適性電池包支撐架的剛度，使支撐架的模態(tài)滿足要求。

表2 優(yōu)化前后支撐架模態(tài)參數(shù)對比Table 2 Comparison of modal parameters before and after optimization.

隨機(jī)振動分析結(jié)果如圖4所示，從分析結(jié)果的應(yīng)力云圖上可知，支架2在X方向、Y方向和Z方向隨機(jī)振動的最大RMises應(yīng)力分別為71.6 MPa、51.4 MPa和61.2 MPa，以3倍的RMises應(yīng)力對比材料的屈服強(qiáng)度作為評判標(biāo)準(zhǔn)，分別為214.8 MPa、154.2 MPa和183.6 MPa，低于Q235的屈服強(qiáng)235 MPa。支架2在X、Y、Z三個方向上受到的應(yīng)力未超過Q235的屈服強(qiáng)，滿足強(qiáng)度條件，有效避免因共振產(chǎn)生疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 (a)(b)和(c)分別為優(yōu)化后電池包支撐架一階、二階和三階模態(tài)Fig.3 (a),(b) and (c) are the first-order,second-order and third-order modes of the optimized battery pack support frame respectively.

制動、轉(zhuǎn)彎和減速帶工況的仿真結(jié)果如圖5所示，由應(yīng)力云圖可知車輛制動、轉(zhuǎn)彎和過減速帶工況時支撐架2所受最大應(yīng)力為77.5 MPa、54.4 MPa和76.2 MPa，支架2在制動、轉(zhuǎn)彎和減速帶工況下受到的應(yīng)力均小于材料屈服極限，滿足行駛工況下強(qiáng)度的要求。

5 結(jié)論

利用有限元法對某電池包支撐架的模態(tài)、隨機(jī)振動和車輛行駛工況的仿真分析。結(jié)果顯示，原電池包支撐架一階模態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求；因此通過改變與整車連接的位置增加整體的強(qiáng)度，去除四周支撐腿，電池包支撐架簡潔美觀度得到提升。優(yōu)化后的電池包支撐架一階模態(tài)得到顯著改善，隨機(jī)振動分析和車輛行駛工況的強(qiáng)度仿真驗(yàn)證了優(yōu)化電池包支撐架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滿足了電池包支撐架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，提高了電池包支撐架的可靠性，具有重要意義。