邱星，黃暉，賈慧芳

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330000；2.江西省乘用車結(jié)構(gòu)設(shè)計工程研究中心；江西 南昌 330000；3.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 330000）

引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，目前汽車數(shù)量也隨之增長，傳統(tǒng)汽車耗費大量的石油資源，已經(jīng)造成了嚴重的環(huán)境污染問題[1]。近些年來電動汽車技術(shù)迅猛進步，已然成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的趨勢。電池包支架作為純電動車上重要的存儲能源關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)強度性能直接影響電動車的安全性和可靠性。電池包支架在不平路面行駛過程中會受到多個方向的扭力，容易產(chǎn)生疲勞斷裂風(fēng)險，因此在設(shè)計電池包支架時，應(yīng)當校核其強度性能?，F(xiàn)采用有限元技術(shù)對某純電動輕卡的電池包支架進行強度性能分析，對于應(yīng)力集中的區(qū)域，提出對優(yōu)化改進方案，使其達到強度設(shè)計要求，降低其斷裂風(fēng)險系數(shù)。

1 有限元分析原理

有限元分析的基本原理是將一個連續(xù)的求解區(qū)域離散化為一組有限、并按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元集合體，在單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地描述求解域內(nèi)的場函數(shù)。整體結(jié)構(gòu)平衡方程通過力學(xué)平衡條件與加載邊界條件將每個單元進行重新整合組成，以此來表示整體結(jié)構(gòu)力和位移的關(guān)系：

式中：K為剛度矩陣，f為載荷列陣，q為節(jié)點的位移列陣。

式中：fr為體力轉(zhuǎn)移，fm為表面力轉(zhuǎn)移，fv為集中力轉(zhuǎn)移。

2 電池包支架有限元模型

基于Hypermesh[2,3]對電池包支架和車架進行幾何清理，采用shell單元對它們進行網(wǎng)格劃分，車架縱梁與橫梁、電池包與縱梁、電池包支架相連部件的螺栓采用RBE2連接處理，螺栓孔處采用兩層washer處理，將電池包的質(zhì)量通過RBE3連接在電池包支架上，電池包A、B和C的質(zhì)量分別為265Kg、195Kg和195Kg。以此建立電池包支架有限元分析模型如圖1所示，其總單元數(shù)為160983，總節(jié)點數(shù)為197842。電池包支支架為Q235，其彈性模量為2.1E+5MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9Ton/mm3，屈服強度為235MPa，抗拉強度為375MPa。

圖1 電池包支架有限元模型

3 強度分析

約束前后板簧支座的所有自由度，其主要考核工況分為三種，工況一：對電池包支架施加X方向0.5g加速度同時-Z方向1.0g，工況二：對電池包支架施加Y方向0.4g加速度同時-Z方向1.0g，工況三：對電池包支架施加-Z方向3.0g加速度，以此基于Nastran軟件[4,5]對該電池包支架進行強度分析。如圖2所示為電池包支架在工況一的應(yīng)力云圖，由圖2可知，電池包支架的最大應(yīng)力為 99.9MPa，低于其材料屈服強度，位于支架底部第一根橫梁處。如圖3所示為電池包支架在工況二的應(yīng)力云圖，由圖3可知，電池包支架的最大應(yīng)力為80.9MPa，小于其材料屈服強度，位于支架頂部縱梁處。如圖4所示為電池包支架在工況三的應(yīng)力云圖，由圖4可知，電池包支架的最大應(yīng)力為256.0MPa，超過其材料屈服強度，也位于支架頂部縱梁處，存在疲勞強度風(fēng)險，路試時可能發(fā)生斷裂的可能，因此需要對其進行改進。

圖2 電池包支架工況一的應(yīng)力云圖

圖3 電池包支架工況二的應(yīng)力云圖

圖4 電池包支架工況三的應(yīng)力云圖

4 改進方案

為了降低支電池包支架上端橫梁處的應(yīng)力集中，在右前、后支架的兩根橫梁支架分別增加兩根縱梁，通過焊接將其連接在一起，如圖5所示。

圖5 電池包支架的改進方案

圖6 電池包支架改進方案工況一的應(yīng)力云圖

圖7 電池包支架改進方案工況二的應(yīng)力云圖

圖8 電池包支架改進方案工況三的應(yīng)力云圖

采用同樣的工況對改進方案進行強度分析，如圖6所示是電池包支架改進方案在工況一時的應(yīng)力云圖，由圖6可知，電池包支架在工況一的最大應(yīng)力為91.0MPa，較改進之前降低了8.9%。如圖7所示是電池包支架改進方案在工況二時的應(yīng)力云圖，由圖7可知，在工況二的最大應(yīng)力為75.8MPa，較改進之前降低了6.3%。如圖8所示是電池包支架改進方案在工況三時的應(yīng)力云圖，由圖8可知，電池包支架改進方案的最大應(yīng)力為218.8MPa，較改進之前降低了14.5%，并且在其材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，能夠滿足強度性能要求，提升了其疲勞壽命。

5 結(jié)論

基于有限元仿真技術(shù)對某純電動輕卡電池包支架的三種典型工況進行強度分析，其最大應(yīng)力分別為 99.9MPa、80.9MPa和256.0MPa，在工況三時的最大應(yīng)力超過其材料屈服強度。通過增加兩個縱梁以達到降低應(yīng)力的目的，改進之后三種工況的最大應(yīng)力為91.7MPa、75.8MPa和218.8MPa，均小于材料許用應(yīng)力，滿足強度設(shè)計要求，能夠有效降低其疲勞斷裂風(fēng)險。

[1] 孫小卯.某型電動汽車電池包結(jié)構(gòu)分析及改進設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué),2013.

[2] 周艷華,史佩,宋巖.基于Hypermesh和Workbench的伺服沖床主傳動連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2016（3）：232-234.

[3] 張恩來,侯亮,蔡惠坤.基于 Hypermesh的液壓破碎錘工作裝置模態(tài)分析[J].中國工程機械學(xué)報,2015,13（5）：422-428.

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