基于PSD振動(dòng)疲勞分析某車型電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王志浩 趙曉麗

摘 ? 要：電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池包是影響其使用壽命以及性能的關(guān)鍵因素。電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式直接決定了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文采用基于PSD振動(dòng)疲勞分析理論，對(duì)某一車型電池包進(jìn)行疲勞壽命影響因素分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上提高電池包的使用壽命。

關(guān)鍵詞：頻率響應(yīng)疲勞分析 ?振動(dòng)疲勞分析 ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（b）-0078-02

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，具有“節(jié)能減排”特色的電動(dòng)汽車得到了迅速應(yīng)用和大規(guī)模推廣。而動(dòng)力電池包作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足多變運(yùn)行環(huán)境和行駛工況下車體工作的安全性和可靠性要求。這就需要?jiǎng)恿﹄姵匕哂幸欢ǖ慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。本文采用基于PSD振動(dòng)疲勞分析理論[1]，對(duì)某一車型電池包進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，得出影響其強(qiáng)度的主要因素，并對(duì)此采取相應(yīng)措施，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上提高電池包的使用壽命。

1 ?模型描述

本次分析采用Abaqus線性求解器，ncode疲勞分析軟件。分析模型為電池包各組件，模型用8×8殼網(wǎng)格劃分，材料均為線性材料，電池包總重為260.3kg。

2 ?分析工況

頻率響應(yīng)分析如下。

（1）約束模態(tài)分析（STEP1）：約束電池包安裝點(diǎn)共有6個(gè)自由度，計(jì)算在約束狀態(tài)下電池包在0～500Hz的頻率。

（2）頻率響應(yīng)分析（STEP2）：在STEP1的基礎(chǔ)上分別對(duì)整體電池包施加X、Y、Z方向上的單位加速度載荷（1mm/s2）。

振動(dòng)疲勞分析：本次分析先對(duì)電池包分別進(jìn)行X、Y、Z方向上的頻率響應(yīng)分析，得出電池包的響應(yīng)函數(shù)，然后在ncode里面以頻率響應(yīng)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，加上PSD、材料SN曲線進(jìn)行疲勞分析，算出各個(gè)方向下的疲勞結(jié)果，然后對(duì)各個(gè)方向下的疲勞結(jié)果進(jìn)行疊加，合成結(jié)果保存成fer格式，在ncode里面studio模板下進(jìn)行觀看。

分析標(biāo)準(zhǔn)：本次分析振動(dòng)疲勞采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（SAE J2380-2009）。

3 ?分析數(shù)據(jù)結(jié)果

Z方向單位頻率響應(yīng)力云圖如圖1、圖2所示。

電池包總的疲勞損傷云圖如圖3至圖4所示。

4 ?結(jié)論及措施

通過模型實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論。

（1）頻率響應(yīng)在35.79Hz時(shí)，上殼體應(yīng)力最大值為0.146MPa，位于拐角處，可能出現(xiàn)斷裂情況。

（2）頻率響應(yīng)在27.47Hz時(shí)，應(yīng)力集中出現(xiàn)在拐角處和過渡區(qū)域，可能出現(xiàn)斷裂情況。

（3）電池包在垂向振動(dòng)時(shí)疲勞強(qiáng)度破壞較大，有些區(qū)域甚至超過了材料的抗拉極限。疲勞破壞主要集中在電池安裝支架上。這是由于電池包下殼體缺少橫梁加強(qiáng)板所導(dǎo)致。

對(duì)此，可以采取如下措施來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[3]，從而達(dá)到減小應(yīng)力集中、增加強(qiáng)度和剛度的效果。

對(duì)于頻域響應(yīng)分析結(jié)果如下。

在拐角處上殼體上面增加一厚度為1mm的加強(qiáng)板。

（1）將過渡區(qū)域磨平。

（2）在底盤可以做一個(gè)搭接梁，提高強(qiáng)度。

對(duì)于振動(dòng)疲勞分析結(jié)果如下。

可以采取在下殼體上增加橫梁結(jié)構(gòu)、改進(jìn)電池包安裝點(diǎn)以增加其強(qiáng)度和剛度。

5 ?結(jié)語

綜上所述，電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)很大程度上影響其強(qiáng)度、剛度，從而影響動(dòng)力汽車電池包的使用壽命。本文從頻域分析和振動(dòng)疲勞分析兩方面展開討論，得出影響電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素并提出相應(yīng)解決措施，以便于更好地對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王文偉，程雨婷，姜衛(wèi)遠(yuǎn)，等.電動(dòng)汽車電池箱結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2016，6（1）：10-14.

[2] 蘇陽，楊濤，鄂世園，等.電動(dòng)車電池包振動(dòng)疲勞分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016，2（2）：109-110.

[3] 王力，鄧雄志，陳家設(shè).基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的混合動(dòng)力轎車電池包模態(tài)特性改進(jìn)[J].上海汽車，2014（6）：3-7.