基于Optistruct的電池包箱體優(yōu)化設(shè)計

譚麗輝，李春陽

(吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

動力電池作為純電動汽車唯一的能量來源，對整車性能影響尤為重要.通常由于車身空間限制，常以懸掛的方式安裝在汽車底盤下方.車輛行駛過程中由于各種路面不平度，導(dǎo)致電池包時刻承受著來自路面的振動激勵，對其抗振性、耐久性、電連接的可靠性、連接件防松性等提出了客觀要求.而電池箱作為動力電池系統(tǒng)的唯一載體，在動力電池安全工作和防護(hù)方面起著關(guān)鍵作用，電池箱多為薄板件，常常面對顛簸、剎車和碰撞等復(fù)雜路況的考驗，如何使結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性得到進(jìn)一步改進(jìn)，是箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)[1-9].

本文基于ANSYS Workbench平臺，結(jié)合實際工況對電池包箱體進(jìn)行靜、動態(tài)有限元分析，判斷箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置，采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術(shù)和復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)，對電池包箱體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.

1 箱體有限元分析

1.1 有限元模型構(gòu)建

圖1為某款電池包結(jié)構(gòu)示意圖，整個電池包外形呈較規(guī)則的長方體.為了正確模擬力的傳遞路徑，將每個電池模組簡化為規(guī)則的方形體，刪除軟銅排、點線束等電氣連接件，僅保留模組固定支座和鈑金罩.將簡化的電池模組引入到電池包箱體，將其上蓋作透明處理如圖2所示，作為后續(xù)電池包箱體有限元分析模型.

圖1 電池包結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電池包簡化模型

基于ANSYS Workbench軟件的網(wǎng)格剖分和接觸自動識別技術(shù)，本文采用solid185單元在箱體厚度方向布置2層網(wǎng)格，單元尺寸為20×20 mm，進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)模擬.

考慮在極端工況下，材料會出現(xiàn)大變形，而DC01材料具有完備的彈性階段和塑性階段本構(gòu)關(guān)系，表1給出了DC01材料屬性.

表1 DC01材料的基本屬性

電池包箱體分別通過兩側(cè)的三個掛點懸掛在汽車底盤上，故約束施加在箱體的兩側(cè)掛點上，如圖2所示紅色標(biāo)記位置.本文是采用實體單元對箱體進(jìn)行有限元模型構(gòu)建的，只具備3個平動自由度，故對掛點表面上的節(jié)點也僅約束3個平動自由度.

1.2 靜態(tài)有限元分析結(jié)果

為了考察電池包箱體結(jié)構(gòu)是否能夠保護(hù)內(nèi)部電池模組和電氣連接安全.本文選擇車輛剎車、路面顛簸和急轉(zhuǎn)彎3種典型工況，對箱體做靜態(tài)有限元分析.表2給出了典型靜態(tài)工況的加載方式(已包含重力加速度).

表2 典型工況和加載方式

利用ANSYS Workbench靜力學(xué)模塊可求得以上三種典型工況下箱體的變形和應(yīng)力情況.在急剎車工況下，箱體的變形較小、應(yīng)力不高，具有較好的剛度和強度；在顛簸工況下由圖3的位移云圖(a)和應(yīng)力云圖(b)可見：箱體上蓋受力明顯，最大變形量達(dá)到23 mm.最大等效應(yīng)力397 MPa，超過材料強度極限127 MPa，最大應(yīng)力區(qū)發(fā)生在與下箱體底板接觸的電池模組安裝座處，為強度薄弱區(qū)；如圖3(c)、(d)所示，在顛簸和急轉(zhuǎn)彎組合工況下，箱體上蓋最大變形量接近23 mm，最大等效應(yīng)力達(dá)到了456 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的強度極限，電池模組安裝座與下箱體底板的接觸處依舊為高應(yīng)力區(qū)，極易因強度不足在此處發(fā)生破壞.與顛簸工況相比箱體上蓋最大變形量幾乎沒有明顯變化，而下箱體最大應(yīng)力卻增長迅速，急轉(zhuǎn)彎對變形影響有限，對應(yīng)力影響顯著.

(a)顛簸工況的Z向位移云圖

依據(jù)電池包的靜力學(xué)特性評價標(biāo)準(zhǔn)[10]：(1)在1 g加速度下，構(gòu)件的變形量不應(yīng)超過1 mm；(2)在3 g加速度下，構(gòu)件的變形量不應(yīng)超過3 mm.由有限元分析結(jié)果可見，箱體上蓋變形顯著，是剛度薄弱件.

綜上可見，在顛簸等典型工況下箱體的剛度和強度較差，下文箱體的優(yōu)化設(shè)計，將以此作為極限工況進(jìn)行對比分析，評價箱體優(yōu)化效果.

1.3 模態(tài)分析結(jié)果

在車輛實際行駛過程中，電池包的受力是復(fù)雜多變的，對其動態(tài)特性的研究是必不可少的，最主要的是模態(tài)分析.

基于Lanczos方法，本文提取箱體結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率，其中前三階固有頻率均低于30 Hz，一階固有頻率僅為13.66 Hz，發(fā)生共振的風(fēng)險較大.由前六階振型圖4可見，共振區(qū)域均發(fā)生在箱體上蓋，分別存在1～4處共振區(qū)域不等，上蓋均呈現(xiàn)不同形式的上下振動，發(fā)生彎曲變形，表明上蓋剛度不足，亟待加強.

(a)一階模態(tài)

通常路面激勵頻率f其表達(dá)式式為：

(1)

式中：V為車輛行駛速度，單位為km/h；λ為路面不平度波長.

為避免共振情況發(fā)生，箱體上蓋一階頻率需高于路面的激勵頻率.表3給出了三種常見路面對應(yīng)的激勵頻率，可見，由路面不平度產(chǎn)生的激勵頻率最高為27.78 Hz，而箱體上蓋一階固有頻率僅為13.66 Hz，優(yōu)化后箱體上蓋的一階頻率只需高于27.78 Hz，即滿足設(shè)計要求.

表3 不同路面類型的激勵頻率

在顛簸等典型工況下，由靜、動態(tài)有限元分析可見，箱體上蓋明顯剛度不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，增強剛度.而下箱體底板在靜強度方面，其最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料強度極限，需改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計達(dá)到強度要求.

2 箱體優(yōu)化設(shè)計

2.1 上蓋形貌優(yōu)化設(shè)計

為改善箱體上蓋剛度嚴(yán)重不足的情況，通常在箱體上蓋采用鈑金沖壓的方法加工出凸包結(jié)構(gòu).本文基于Optistruct軟件，采用形貌優(yōu)化技術(shù)得到凸包結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和平面布局，優(yōu)化箱體上蓋的局部剛度.

優(yōu)化后的箱體上蓋形貌如圖5所示，可見，優(yōu)化后上蓋的凸包結(jié)構(gòu)基本呈對稱分布，即左右兩側(cè)的E型凸包和前后的矩形凸包.其中，E型凸包高度在5～6 mm范圍內(nèi)，矩形凸包厚度基本達(dá)到約束的最大值為10 mm.

圖5 優(yōu)化后的箱體上蓋形貌

依照單元的尺寸和上蓋的形貌云圖，可提取出兩種凸包結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，其中凸包的拔模角均定為70°，E型凸包高度定為6 mm，矩形凸包高度定為10 mm.

采用Solidworks三維建模軟件的成型工具可在原上蓋模型基礎(chǔ)上，快速生成凸包結(jié)構(gòu)，如圖6、7所示，優(yōu)化改進(jìn)后箱體上蓋三維模型如圖8所示.

圖6 矩形凸包成型工具

圖7 E型凸包成型工具

圖8 改進(jìn)后的上蓋三維模型

2.2 下箱體復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計

在顛簸等典型工況下，下箱體底板最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料強度極限，需要進(jìn)行強度優(yōu)化.在滿足強度要求的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)箱體的輕量化設(shè)計，采用Optistruct軟件對下箱體進(jìn)行復(fù)合材料輕量化設(shè)計.

將下箱體由鈑金材料DC01切換成碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，下箱體材料采用環(huán)氧樹脂基T300單向帶，在Optistruct中定義材料屬性.采用0°、45°、90°、-45°和180°這5個方向角度進(jìn)行鋪層優(yōu)化.最終，下箱體的厚度分布情況如圖9所示，由圖可知，下箱體底板和前后兩側(cè)板厚度值較大，下箱體左右兩側(cè)板厚度值較小，不同區(qū)域間的厚度差別明顯，優(yōu)化后最大厚度值為6.0 mm，最小厚度值為1.4 mm.

圖9 下箱體厚度分布圖

2.3 箱體優(yōu)化效果分析

將優(yōu)化后箱體上蓋和下箱體重新組合，建立優(yōu)化后電池包箱體的詳細(xì)有限元模型，如圖10所示，對其進(jìn)行顛簸+急轉(zhuǎn)彎工況下的靜力學(xué)分析，以檢驗優(yōu)化效果.

圖10 優(yōu)化后電池包有限元模型

由箱體的位移云圖和等效應(yīng)力云圖11、12可見，優(yōu)化后箱體的最大變形量減小至4 mm，與改進(jìn)前相比，變形量降低了82%；最大等效應(yīng)力降為137 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，與優(yōu)化前相比降低了70%，箱體強度得到顯著提升，對動力電池安全工作能起到更有效的防護(hù)作用.優(yōu)化后電池包箱體的總質(zhì)量為14 kg，與優(yōu)化前41 kg相比，質(zhì)量減小了67%，輕量化效果顯著.

圖11 箱體的位移云圖

對圖10箱體有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到其一階固有頻率為32.5 Hz，高于前文平坦路面產(chǎn)生的路面激勵頻率27.78 Hz，可見優(yōu)化后箱體能有效避開共振點.從模態(tài)分析結(jié)果圖13可見：箱體的前五階共振區(qū)域均發(fā)生在上蓋，并表現(xiàn)出不同形式的上下振動，由于優(yōu)化后箱體上蓋剛度顯著提升，從第六階開始箱體的振動形式從上箱蓋轉(zhuǎn)移到了下箱體的前后兩側(cè)，改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計滿足動態(tài)特性需求.

圖12 箱體的等效應(yīng)力云圖

(a)一階模態(tài)

3 結(jié) 論

本文基于ANSYS Workbench軟件，對電池包箱體進(jìn)行靜、動態(tài)有限元分析，得到箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置；采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術(shù)對箱體上蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強優(yōu)化、對下箱體進(jìn)行復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計.最終獲得了箱體上蓋的矩形凸包和E型凸包的結(jié)構(gòu)布局及幾何參數(shù)，結(jié)合Solidworks軟件的成型工具，構(gòu)造了優(yōu)化后箱體上蓋的三維模型，同時得到下箱體各層組的厚度分布情況和最優(yōu)厚度.

經(jīng)驗證，優(yōu)化后的電池包箱體在顛簸和急轉(zhuǎn)彎組合工況下，最大的變形量僅為4 mm，最大等效應(yīng)力為137 MPa，一階固有頻率為32.5 Hz，其靜剛度、強度和動剛度都較優(yōu)化前有非常顯著的提升，優(yōu)化后箱體重量減輕了67%，輕量化效果顯著.