纯电动汽车电池包箱体模态分析及优化

2018-08-29张瑞施伟辰

汽车实用技术 2018年15期

张瑞，施伟辰

（上海海事大学，上海 201306）

前言

随着我国经济的快速发展，石化能源短缺和环境污染的问题日益严重。据统计，汽车用油占我国石油总消耗量的比例超过1/3，占汽油总生产量的九成，预计2020年我国汽车用油占石油总消耗量的比例将超过 50%[1]。为了实现经济和生态的协同发展，也为了缩小我国与发达国家在汽车产业方面的差距，实现弯道超车，使我国成为汽车强国，作为国民经济的支柱性产业，汽车工业的转型升级已经上升到了国家能源战略层面，引起了政府部门的高度重视。2010年以来，从中央到地方政府都给予相关产业大量的政策与资金支持，在政策利好的情况下，国内各大车企都加大了对新能源汽车的投入，尤其是纯电动汽车一直保持高速的增长势头。电池包系统是纯电动汽车的动力源泉，其安全性能至关重要。电池包箱体作为动力电池组模块的承载体，首先承受外部载荷、振动及挤压碰撞等复杂工况，是保障动力电池组模块能正常工作的不可缺少的核心部件。

本文运用Workbench软件对某一型式电池包箱体进行了模态分析，并根据分析结果运用Optistruct软件对箱体上盖进行了形貌优化设计，提高了其固有频率，避免了纯电动汽车在行驶过程中因路面不平度对电池包箱体的激振。

1 电池包箱体结构的有限元模型

1.1 几何模型建立

本文所研究的电池包箱体结构主要是由钣金件和槽钢焊接而成，包括：上盖、下箱体、托架和防撞梁。在能够保证计算精度的条件下，为了减小计算时间，提高计算效率，简化了电池包箱体上不会对整体力学性能造成影响的小孔、倒角和凸台。简化后的电池包箱体的几何模型如图1所示。

图1 电池包箱体的几何模型

1.2 材料的选用

电池包箱体的上盖和下箱体选用牌号为DC01的钢板作为制作材料，托架和防撞梁选用牌号为HC420/780DP的高强度钢作为制作材料。DC01和HC420/780DP钢板的材料参数见表1所示：

1.3 接触的方式确定

在Workbench软件中对电池包箱体进行模态分析时，装配件之间的接触类型设置为绑定接触（Bonded），在对焊接进行模拟时，利用Workbench模块中DesignModeler的建模功能，对导入的模型进行处理，利用 Point功能在防撞梁和下箱体的接触面以及托架和下箱体的接触面之间施加一定数目的焊点来模拟它们之间的焊接关系。

1.4 网格划分

图2 电池包箱体结构局部网格划分图

在对电池包箱体结构进行网格划分时，网格尺、网格类型以及网格的质量会对计算精度产生较大的影响。本文选用六面体主导划分方法，对电池包箱体结构进行网格划分时以六面体网格为主，并在螺栓连接处进行局部优化，采用四面体网格，使其更加接近于螺栓连接的真实情况。如图2所示，为电池包箱体结构局部网格划分图，电池包箱体结构采用Solid185单元，焊点采用Beam单元。

1.5 电池包箱体结构的有限元模型

通过以上流程，运用 Workbench软件对电池包几何模型完成相应前处理后，得到最终的有限元模型如图3所示。有限元模型的单元尺寸是 20×20mm，划分完成后的单元数目是101721，节点数目是345191。

图3 电池包箱体结构的有限元模型

2 模态分析的运动方程

模态分析实际上就是求解自振动结构平衡方程的特征值和特征向量，也叫做模态提取。根据有限元理论，电池包箱体结构的固有频率和振型几乎不受小阻尼的影响，因此，在计算时可以忽略小阻尼，将系统看作无阻尼运动。

无阻尼模态分析的运动方程如下所示[2]：

式中，[K]是刚度矩阵，[M]是质量矩阵。

电池包箱体结构的自由振动是简谐运动，所以位移是如下的正弦函数：

将上式代入（1）中，可得：

3 模态分析的结果

本文在对电池包箱体进行模态分析时对防撞梁上的 10个螺栓孔进行固定约束。运用Lanczons方法提取了电池包箱体的前6阶模态[3]。计算结果如表2所示，各阶的模态振型如图4～9所示。

表2 电池包箱体前6阶模态频率及振型

图4 第1阶模态振型

图5 第2阶模态振型

图6 第3阶模态振型

图7 第4阶模态振型

图8 第5阶模态振型

图9 第6阶模态振型

纯电动汽车在行驶过程中，电池包箱体所受到的激振主要是来源于路面不平度引起的振动，对电池包箱体进行模态分析是为了获得其固有频率和振型。在设计电池包箱体结构时应使其固有频率避开外部的激振，避免发生共振现象破坏电池包箱体结构，影响其使用寿命。路面不平度引起的激振频率一般低于21Hz，所以电池包箱体的第1阶频率必须大于21Hz[4]。

从模态分析结果可知，电池包箱体的第1阶和第2阶模态分别为15.089Hz和20.062Hz，均低于21Hz，存在发生共振的可能性。电池包箱体的前 6阶模态中，第 1、3、5、6阶模态主要表现为箱体上盖的局部振动，表明电池包箱体上盖的动刚度不足，需要进一步优化。

4 箱体上盖的形貌优化

4.1 优化设计的数学模型

将电池包箱体的物理模型转化成数学模型，是对其结构进行优化设计的首要工作，结构优化的数学模型由设计变量、约束条件和目标函数三个要素组成[5]。

优化设计的数学模型可以表示为如下形式：

最小化（Minimize）：

约束条件（Subjectto）：

4.2 电池包箱体上盖有限元模型建立

在利用形貌优化技术求解箱体上盖最佳起筋位置时，需要对优化模型进行简化来提高优化速度。因此，本文选择从电池包箱体整体模型中抽离出上盖，对其施加合理的约束条件，单独进行优化设计，其有限元模型如图10所示，网格尺寸为10×10mm。

图10 电池包箱体上盖的有限元模型

4.3 设计变量的选取

形貌优化技术通常将结构的有限元模型分为优化区域和非优化区域，根据电池包箱体的静态和模态分析结果，选择箱体上盖刚度相对薄弱的平面区域作为优化区域，如图 11绿色区域所示，为电池包箱体上盖的优化区域。

图11 箱体上盖的优化区域（绿色）

在箱体上盖设置加强筋时，最小筋宽设置为 30mm，起筋角度为70度，加强筋高度设置为8mm，各直角以及加强筋箱体上盖接触的边缘处做半径为5mm的倒圆角处理。

4.4 目标函数及约束条件的选取

在对电池包箱体上盖进行形貌优化时，很多响应可以作为目标函数或者约束条件，但是本文对箱体上盖进行形貌优化的目的是为了提高其固有频率和局部刚度，所以选取模态分析中的一阶固有频率为约束响应，目标函数为响应的最大值。

4.5 形貌优化的结果分析

在Optistruct软件中完成前处理工作，然后提交求解器进行计算，经过11次迭代之后，目标函数收敛，得到如图12所示的箱体上盖形貌优化后的结果。

图12 箱体上盖形貌优化后的结果

如图6.4所示，箱体上盖中的蓝色区域为刚度薄弱区，在此处设置加强筋可以最大程度的提高箱体上盖的局部刚度。计算得出形貌优化结果后，利用OSSmooth工具将优化后的模型以 step曲面导出，然后将导出的 step曲面导入到UG软件进行修改，考虑到冲压工艺和装配条件，最终得到如图13所示的优化后的箱体上盖加强筋分布图。