基于SFE隱式參數(shù)化的純電動商用車電池框架輕量化設計

摘 要：以某純電動商用車電池框架為研究對象，應用CAE分析驅(qū)動設計的理念，建立電池框架隱式參數(shù)化模型，定義零件料厚、斷面尺寸共37個變量，以電池框架性能不降低為前提，采用Isight開展多目標設計優(yōu)化，確定料厚和斷面的最佳組合方案，完成純電動商用車電池框架輕量化設計。

關鍵詞：電池框架；隱式參數(shù)化；靜力學分析；輕量化

在國家雙碳戰(zhàn)略、雙積分等政策以及市場需求等綜合因素驅(qū)動下，商用車迅速向電動化方向轉(zhuǎn)型，商用車新能源滲透率快速提升。但目前純電驅(qū)商用車整備質(zhì)量比柴油車大了1.5～2.0t，其中后電池框架質(zhì)量在500～800kg，占增加質(zhì)量的30%～40%。輕量化是新能源商用車降低整車電耗和提升續(xù)駛里程的重要途徑之一。因此，對商用車電池框架進行輕量化優(yōu)化設計具有重要的意義[1-2]。

SFE CONCEPT軟件基于CAE分析驅(qū)動設計的理念，可以通過建立隱式參數(shù)化模型，在設計早期快速確定最佳的設計方案，節(jié)約開發(fā)周期成本。近年來，SFE隱式參數(shù)化建模技術在白車身輕量化設計方面得到了廣泛應用。史國宏等[3]在白車身設計初期應用隱式參數(shù)化白車身模型，結(jié)合多學科優(yōu)化設計等，實現(xiàn)白車身質(zhì)量減少12kg，減重率4.5%。王登峰等[4]采用SFE CONCEPT開展輕量化設計，在白車身性能不降低的情況下，實現(xiàn)白車身減重19.9kg。吳鵬興等[5]建立商用車白車身隱式參數(shù)化模型，結(jié)合遺傳算法求解，在保證性能的前提下，實現(xiàn)白車身減重16.9kg。張峰等[6]建立某白車身的參數(shù)化模型，通過拓撲、斷面和料厚優(yōu)化，滿足性能的前下，實現(xiàn)白車身減重17.5kg。綜上所述，隱式參數(shù)化建模設計方法在白車身輕量化設計方面取得了比較好的效果，但在整車其他零部件設計上研究應用較少。

本文以某純電動商用車電池框架為研究對象，應用CAE分析驅(qū)動設計的理念，建立電池框架隱式參數(shù)化模型，定義零件料厚、斷面尺寸共37個變量，以電池框架性能不降低為前提，采用ISIGHT開展多目標設計優(yōu)化，確定料厚和斷面的最佳組合方案，完成純電動商用車電池框架輕量化設計。

參數(shù)化模型搭建及零件材料定義

應用SFE CONCEPT軟件，以某純電動商用車電池框架驗證的有限元模型為依據(jù)，建立電池框架隱式全參數(shù)化模型。為了便于模型建立，先將電池框架模型分為左框架、右框架、中框架和連接支架4個部分。再按照基點、基線、斷面、梁和接頭等建模步驟分別完成4個部分幾何特征構(gòu)建，接著通過映射關系或接頭將各部分裝配成總成，最后完成全部參數(shù)化模型的建立[7-9]。同時通過軟件網(wǎng)格生成功能，自動生成滿足虛擬仿真分析要求的有限元模型（見圖1），包括零件的材料、屬性和焊點等信息。

電池框架結(jié)構(gòu)初始性能分析

1.電池框架模態(tài)分析

對電池框架進行模態(tài)分析，邊界條件為約束車架區(qū)域自由度，模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

2. 初始電池框架靜態(tài)強度仿真分析

電池框架靜態(tài)強度分析需要滿足垂向、轉(zhuǎn)彎、制動工況和加速4個工況強度要求。各工況下加速度數(shù)值如表2所示。

電池框架各工況應力分布如圖2～圖５所示，在垂向沖擊工況下的最大應力為720MPa，處于電池框架L型件與鑄件連接位置；制動工況下的最大應力為440MPa，處于電池包框架折彎件與連接鑄件位置；轉(zhuǎn)彎工況下的最大應力為334MPa，處于中間橫梁與縱梁連接處；加速工況下的最大應力為745MPa，處于電池框架L型件與鑄件連接位置。

電池框架輕量化優(yōu)化設計

電池框架結(jié)構(gòu)為梁結(jié)構(gòu)，梁類零件的料厚和斷面形狀對電池框架性能有比較大的影響。因此將零件的料厚和斷面形狀作為設計優(yōu)化變量。以電池框架模態(tài)（下降≤3%）和靜態(tài)強度作為約束條件，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，采用正交試驗設計（DOE）方法得出設計變量的數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)約束和目標篩選的設計變量擬合數(shù)學模型，采用ISIGHT軟件進行多目標設計優(yōu)化，求出最佳輕量化方案。SFE聯(lián)合ISIGHT輕量化如圖6所示，流程為a→b→c。

1.電池框架零部件斷面形狀變量定義

結(jié)合結(jié)構(gòu)和受力，選擇電池框架10個主要承載零件斷面作為優(yōu)化對象，如圖7所示。利用SFE CONCEPT軟件定義19個幾何變量，斷面形狀設計變量的范圍見表3。每個斷面可以通過2～3個參數(shù)控制形狀，驅(qū)動SFE參數(shù)化模型調(diào)整零件幾何形狀[10]。

2. 電池框架零件料厚變量定義

結(jié)合工程分析經(jīng)驗，結(jié)合電池框架強度靈敏度分析[11]，選取影響最大的18個部件作為料厚優(yōu)化變量，如表4所示。

3. 優(yōu)化結(jié)果及驗證

通過ISIGHT多目標迭代優(yōu)化，最終確定5個斷面和9個料厚最佳輕量化優(yōu)化方案，斷面尺寸優(yōu)化結(jié)果見表5， 斷面厚度優(yōu)化結(jié)果見表6。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對電池框架模型進行調(diào)整，進行模態(tài)和靜態(tài)強度仿真分析，驗證優(yōu)化優(yōu)化方案性能是否滿足要求。表7為電池框架在輕量化優(yōu)化前后模態(tài)分析結(jié)果對比，可以看出，優(yōu)化后各階模態(tài)變化在3%以內(nèi)，滿足約束條件。

電池框架在輕量化優(yōu)化后不同工況下的靜態(tài)強度分析結(jié)果如圖8～圖11所示，輕量化方案相比原方案，轉(zhuǎn)彎工況條件下電池框架縱梁及與車架連接鑄件的最大應力均得到下降，其他工況條件下電池框架各位置的最大應力均有所增加，但都在安全系數(shù)以內(nèi)，滿足產(chǎn)品性能要求。

通過對電池框架關鍵零件的斷面形狀、料厚進行優(yōu)化，在保證電池框架模態(tài)和力學性能性能基本不降低的情況下，最大限度的實現(xiàn)電池框架降重31.4kg，減重率為7.78%。

結(jié)語

（1）應用CAE分析驅(qū)動設計的理念，在商用車某電池框架設計早期，基于SFE CONCEPT軟件，建立隱式參數(shù)化模型，將料厚和斷面作為設計變量，以性能不降低為前提，開展多目標設計優(yōu)化，確定最佳的料厚和斷面尺寸優(yōu)化方案，最終高效的實現(xiàn)電池框架輕量化設計。與傳統(tǒng)設計方法相比，可有效減少方案修改和CAE仿真的次數(shù)，大幅提高設計開發(fā)的效率。

（2）某款純電動商用車電池框架通過采用SFE隱式參數(shù)化建模技術，定義共37個變量，通過ISIGHT多目標優(yōu)化，在保證模態(tài)及靜態(tài)強度不降低的前提下，實現(xiàn)降重31.4kg，減重率7.78%，大幅提升了電池框架的輕量化水平。

參考文獻：

[1] 馮毅，張德良，高翔. 基于安全、輕量化、可靠性多目標的新能源汽車電池包殼體開發(fā) [J]. 汽車工程學報，2024， 14 （2）：155-167.

[2] 康元春， 王瑞芳， 張康. 某商用車蓄電池支架多目標拓撲優(yōu)化[J]. 機械設計， 2020，37 （3）：92-95.

[3] 史國宏，陳勇，楊雨澤，等. 白車身多學科輕量化優(yōu)化設計應用 [J]. 機械工程學報， 2012， 48（8）：110-114.

[4] 王登峰， 蔡珂芳， 馬明輝， 張帥. 基于隱式參數(shù)化模型的白車身輕量化設計[J]. 汽車工程， 2018， 40（5）： 610-616+624.

[5] 吳鵬興， 劉夫云， 宋超. 基于NSGA-Ⅱ的隱式參數(shù)化白車身輕量化設計[J]. 機械設計， 2022，39 （2）：95-100.

[6] 張峰， 程建勇， 董立強， 石蕩赫， 朱紅霞. 基于SFE CONCEPT的某平臺改款車型車身結(jié)構(gòu)輕量化設計[J]. 機械設計， 2022，39（11）：106-111.

[7] 沈保山， 范圣耀， 鐘兵， 張國芬. 基于隱式參數(shù)化的車身輕量化設計[J]. 機械設計，2022，39（8）：109-113.

[8] 季楓， 王登峰， 陳書明， 劉波， 李曉青. 轎車白車身隱式全參數(shù)化建模與多目標輕量化優(yōu)化[J]. 汽車工程，2014，36（2）： 254-258.

[9] 陳鑫， 胡翠松， 寧厚于， 吳元強， 汪碩， 楊昌海. SUV白車身隱式參數(shù)化建模及多性能優(yōu)化輕量化[J]. 吉林大學學報（工學版），2016，46 （6）：1780-1785.

[10] 卞翔， 李占營， 董彥龍， 高文亮. 基于Isight的某SUV白車身輕量化設計[J]. 汽車實用技術，2024，49（7）：54-58.

[11] 周松， 高翔， 張志， 萬鑫銘， 趙清江. 基于相對靈敏度的重型自卸車結(jié)構(gòu)輕量化設計[J]. 科學技術與工程， 2021， 21（35）：15027-15034.