基于有限元分析法的電動汽車電池箱隨機(jī)振動分析及優(yōu)化

劉 超，陳肖媛

基于有限元分析法的電動汽車電池箱隨機(jī)振動分析及優(yōu)化

劉 超，陳肖媛

（青島黃海學(xué)院 智能制造學(xué)院，山東 青島 266427）

在電動汽車中，電池箱是支撐動力電池的主要部件，直接影響到電動汽車的整體效能。在闡述電動汽車在不平路面行駛電池箱振動理論的基礎(chǔ)上，運用有限元分析法完成對某電動汽車電池箱各工況下的靜力學(xué)分析和振動分析，進(jìn)而得出電池箱在行駛過程中的隨機(jī)振動特性，最后通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實現(xiàn)電池箱整體性能的提升，這對于提升電動汽車的安全性和穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵性的作用。

電池箱；有限元分析；靜態(tài)分析；振動分析；電動汽車

在電動汽車組件中，作為動力電池的承載結(jié)構(gòu)，電池箱起到了關(guān)鍵載荷的作用，在碰撞中，必須避免電池箱侵入引起的著火或爆炸，所以，電池箱體的結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度、良好的散熱性和防水絕緣特性。因此，對電動汽車電池箱的動靜態(tài)以及振動特性的分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著重要的意義和應(yīng)用價值。國外專家DEMENKOV借助于有限元分析方法，對電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和振動等動態(tài)方面的分析，并結(jié)合分析優(yōu)化設(shè)計了剛度高、質(zhì)量輕的模塊化框架，以最大限度地減少電池在膨脹或爆炸過程中的變形[1]。國內(nèi)學(xué)者姜高松在研究電池箱時，分析了在緊急剎車和轉(zhuǎn)彎時電池箱的振動特性，并對電池箱的底殼進(jìn)行了尺度和形狀的優(yōu)化，驗證了電池箱在隨機(jī)振動的可靠性[2]。

1 隨機(jī)振動分析理論

1.1 隨機(jī)振動理論基礎(chǔ)

隨機(jī)振動是振動的一種特別形態(tài)。對于線性系統(tǒng)來說，如果系統(tǒng)輸入的是簡諧，則輸出的是一樣的頻率、不一樣的振幅和不一樣的相位的簡諧波。如果系統(tǒng)輸入的是周期函數(shù)，則可以看成是一組不相同頻率的簡諧函數(shù)的疊合，所以，可以依據(jù)疊加原理得出系統(tǒng)的響應(yīng)。車輛在不平整的路面上振動和建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的振動都屬于隨機(jī)振動[3]。

1.2 隨機(jī)振動基本參數(shù)

1.平均值和均方值

任意一個隨機(jī)變量，每個時刻的值在時間上的平均，叫做數(shù)學(xué)期望，又稱之為均值。對于離散型隨機(jī)變量，分布律為(=)=P。

2.自相關(guān)函數(shù)

自相關(guān)函數(shù)描述差分時間下同一信號的兩個值之間的相關(guān)性，通常用()表示。公式表示為

式中，()為各時間下振動過程的大小值；(+)為延遲后所看到的一致過程度數(shù)。

3.功率譜密度函數(shù)

頻譜功率密度函數(shù)是自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，公式為

式中，()為隨機(jī)信號的自相關(guān)函數(shù)。

2 電動汽車電池箱隨機(jī)振動分析

2.1 電池箱的模型建立

為了貼合電池組，采用了箱形框架設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮到車輛行駛過程中的安全系數(shù)，包括不同工作條件下的強(qiáng)度和變形、電池溫度控制等因素；電池箱由上頂蓋、下底座、側(cè)圍板、橫梁和托架組成，各個部件間利用摩擦焊連接。在分析中，其主要對象是電池箱的下箱體，對于電池箱的其他非主要的零部件從簡或者忽略不計，經(jīng)過查看文獻(xiàn)后，對電池箱體模型施加材料[5]，設(shè)定電池箱下箱體材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200 GPa，密度為7 850 kg·m-3，發(fā)生小變量塑形變形（屈服）值約為250 MPa。

2.2 靜力學(xué)分析工況及分析結(jié)果

在靜力學(xué)分析之前，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到電池箱中每個部件都有不同的形狀，有比較規(guī)則的部件，也有一些不規(guī)則的部件，如托架、底座等。此外，對應(yīng)力集中區(qū)做細(xì)致網(wǎng)格劃分，考慮到實際情況選擇四面體的網(wǎng)格劃分。為滿足要求，電動汽車必須在各種工作條件下正常行駛，這意味著電池必須在各種工作條件下承受靜態(tài)載荷。車輛在路面行駛時，主要的受力來自車身振動所引起的箱體的慣性沖擊，對此特選取汽車行駛中的緊急制動與緊急轉(zhuǎn)彎兩種極限工況來進(jìn)行仿真分析。

1.制動工況

當(dāng)車輛在制動中，汽車電池箱等受到前進(jìn)方向的慣性力，對箱整體加上軸方向上的2倍重力加速度，即9 600 mm/s2，得出該工況下電池箱的靜態(tài)分析結(jié)果，如圖1所示。

圖1 制動工況靜態(tài)分析

在急剎車的分析中，通過分析云圖可以看出，箱體變形的部位在箱體的前側(cè)面，等效應(yīng)力的部位在箱體的右后側(cè)拐角的地方，最大的等效應(yīng)力是4.573 4 MPa。

2.轉(zhuǎn)彎工況

電動汽車在轉(zhuǎn)彎工況下，受到離心力的作用，電池箱的一側(cè)會受到一定的載荷沖擊力。因此，在分析時對電池箱整體施加一個方向上的1.5倍重力加速度，即7 200 mm/s2，從而獲得電池箱的等效應(yīng)力云圖，如圖2所示。

在急轉(zhuǎn)彎的分析中，通過分析云圖可以看出，箱體的變形的部位在箱體的前側(cè)面，等效應(yīng)力的部位在電池箱箱體的右后側(cè)拐角處，最大等效應(yīng)力為1.845 3 MPa。

2.3 隨機(jī)振動分析

對底殼隨機(jī)振動分析，分別在軸、軸、軸三個方向上錄入加速度負(fù)載，按照《車輛振動輸入路面平度表示方法》國標(biāo)規(guī)定[6]，每個方向上所錄入的負(fù)載數(shù)值如表1所示。

表1 X、Y、Z三個方向的加速度功率譜密度值

1.軸方向隨機(jī)振動

將電池箱模型用模態(tài)分析的結(jié)果作為參考，然后對箱體做隨機(jī)振動分析，施加與軸方向單位加速度載荷等效力的載荷，從而獲得軸方向上的等效應(yīng)力以及最大損壞位置，由云圖可知，等效應(yīng)力為0.882 95 MPa，最大損壞位置在電池箱右后側(cè)拐角處，如圖3所示。

2.軸方向隨機(jī)振動

將電池箱模型導(dǎo)入到有限元Workbench中，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)振動分析，施加與軸方向單位加速度載荷等效力的載荷，從而獲得軸方向上的等效應(yīng)力以及最大損壞位置，由云圖可知，等效應(yīng)力為19.295 MPa，最大損壞位置在電池箱右后側(cè)拐角處，如圖4所示。

圖3 X軸隨機(jī)振動分析結(jié)果

圖4 Y軸隨機(jī)振動分析結(jié)果

3.軸方向隨機(jī)振動

將電池箱模型導(dǎo)入到有限元Workbench中，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)振動分析，施加與軸方向單位加速度載荷等效的力的載荷，從而獲得軸方向上等效應(yīng)力以及最大損壞位置，由云圖可知，等效應(yīng)力為63.4 MPa，最大損壞位置在電池箱左后側(cè)拐角處，如圖5所示。

圖5 Z軸隨機(jī)振動分析結(jié)果

綜合靜力學(xué)分析可知，電動汽車電池箱的最大受力位置主要在電池箱右后側(cè)拐角處，且軸方向受到的等效應(yīng)力最大，最小壽命高于國家標(biāo)準(zhǔn)中的試驗要求時間，所以對電池箱左右兩個拐角處進(jìn)行優(yōu)化。

3 電池箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對電池箱兩種極限工況下的靜力學(xué)分析可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在電池箱左下側(cè)拐角處，此處屬于最薄弱處，需要對此處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。因此，在原有的模型基礎(chǔ)上，在最大應(yīng)力處加筋，與橫板連接。

3.1 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

1.緊急剎車工況

對加強(qiáng)筋的模型進(jìn)行重新分析，得出電池箱優(yōu)化后的整體的屈服準(zhǔn)則值云圖以及應(yīng)力主要聚集的部位（見圖6）。

圖6 優(yōu)化后剎車工況應(yīng)力

2.緊急轉(zhuǎn)彎工況

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊急轉(zhuǎn)彎工況的重新分析，得出電池箱優(yōu)化后的整體應(yīng)力云圖以及應(yīng)力主要集中的位置（見圖7）。

圖7 優(yōu)化后轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力

3.2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)振動分析

1.軸方向隨機(jī)振動

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基于模態(tài)值分析進(jìn)行隨機(jī)振動分析，從而獲得軸方向上的總變形量、等效應(yīng)力以及最大損壞處，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后X軸隨機(jī)振動分析結(jié)果

2.軸方向隨機(jī)振動

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基于模態(tài)值分析進(jìn)行隨機(jī)振動分析，從而獲得軸方向上的總變形量、等效應(yīng)力以及最大損壞處，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后Y軸隨機(jī)振動分析結(jié)果

3.軸方向隨機(jī)振動

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基于模態(tài)值分析進(jìn)行隨機(jī)振動分析，從而獲得軸方向上的總變形量、等效應(yīng)力以及最大損壞處，如圖10所示。

3.3 優(yōu)化前后結(jié)果對比

通過對優(yōu)化方案的重新分析對比，可以看出，通過優(yōu)化后緊急制動工況下最大應(yīng)力由4.573 4 MPa減小為1.748 7 MPa，緊急轉(zhuǎn)彎工況下最大應(yīng)力由1.845 3 MPa增加為1.972 4 MPa，軸方向隨機(jī)振動最大應(yīng)力由0.882 95 MPa增加為6.864 2 MPa，軸方向隨機(jī)振動最大應(yīng)力由19.295 MPa減小為5.821 MPa，軸方向隨機(jī)振動最大應(yīng)力由63.4 MPa減小為21.487 MPa，得到的優(yōu)化效果最好，材料也最省。

4 結(jié)論

通過對某電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)分析和隨機(jī)振動分析，得出了電池箱結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，并以此為依據(jù)，完成對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。通過分析指出了該電池箱在左下側(cè)拐角處存在一定的薄弱環(huán)節(jié)，對此，通過橫板連接加強(qiáng)筋的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化處理，并通過優(yōu)化前后的對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在制動工況下應(yīng)力降低了62%，并且在特定方向下的隨機(jī)振動特性也得了顯著提升，不僅有效提升其電池箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗振動疲勞特性，還對電動汽車的動力電池起到了安全防護(hù)的作用，為解決當(dāng)前電動汽車的安全隱患提供一定的借鑒價值。

[1] DEMENKOV N P.Design of an Electric Vehicle Battery Case Based on Electric Thermal Model[J]. International Forum on Strategic Technology,2017,5 (4):86-90.

[2] 姜高松.某純電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及優(yōu)化[D].長沙:湖南大學(xué),2017.

[3] 戴江梁,熊飛,劉靜.基于某車型動力電池包的隨機(jī)振動疲勞分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)[J].機(jī)械強(qiáng)度,2020,42 (5):1266-1270.

[4] 冷曉偉,戴作強(qiáng),鄭莉莉,等.基于nCode Designlife的電池箱疲勞壽命研究[J].客車技術(shù)與研究,2018(3): 17-19.

[5] 袁林,趙清海,張洪信.考慮碰撞工況的電動汽車電池箱多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2019,41 (5):124-129.

[6] 長春汽車研究所.車輛振動輸入路面平度表示方法: GB/T 7031－1986[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1987.

Random Vibration Analysis and Optimization of Electric Vehicle Battery Box Based on Finite Element AnalysisMethod

LIU Chao, CHEN Xiaoyuan

( College of Intelligent Manufacturing, Qingdao Huanghai University, Qingdao 266427, China )

In electric vehicles, the battery box is the main component that supports the power battery, directly affecting the overall efficiency of the electric vehicle. On the basis of describing the vibration theory of the battery box of an electric vehicle traveling on uneven roads, the finite element analysis method is used to complete the statics analysis and vibration analysis of the battery box of an electric vehicle under various working conditions, and then the random vibration characteristics of the battery box in the driving process are obtained. Finally, the overall performance of the battery box is improved through structural optimization, which plays a key role in improving the safety and stability of the electric vehicle.

Battery box;Finite element analysis;Static analysis;Vibration analysis; Electric vehicle

U469.7；U463.9

A

1671-7988(2023)22-38-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.008

劉超（1986－），男，碩士，講師，研究方向為新能源汽車的能量控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計，E-mail:693935527@qq.com。