譚麗輝 李春陽

摘? ?要：文章對電池包進行靜、動態(tài)有限元分析，得到箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在上蓋表面設(shè)置凸包結(jié)構(gòu)進行局部加強;并采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術(shù)，以動剛度和靜剛度為約束指標，獲得了矩形凸包和E型凸包的結(jié)構(gòu)布局和幾何參數(shù)。經(jīng)驗證，優(yōu)化后上蓋的剛度、強度均得到顯著提升，此研究為進一步分析實際電池包箱體結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電池包箱體;上蓋;優(yōu)化設(shè)計

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)計合理性得到進一步改善，是箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)[1-4]。

本文基于ANSYS Workbench平臺，結(jié)合實際工況在上蓋表面設(shè)置凸包結(jié)構(gòu)進行局部加強，采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化箱體上蓋的局部剛度，得到凸包結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和平面布局，并構(gòu)建了優(yōu)化后箱體上蓋的三維模型。

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，整個電池包呈較規(guī)則的長方體。為了正確模擬力的傳遞路徑，將復(fù)雜的電池模組簡化為較規(guī)則的方形體，同時將簡化的電池模組引入到電池包箱體，并將上蓋作透明處理，作為后續(xù)電池包箱體有限元分析模型。

電池包箱體分別通過兩側(cè)的3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。本文采用實體單元對箱體進行有限元模型構(gòu)建，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。

為了考察電池包箱體結(jié)構(gòu)是否能夠保護內(nèi)部電池模組和電氣連接安全。本文選擇了不同典型工況對箱體做靜態(tài)有限元分析。表1顯示了典型靜態(tài)工況及加載方式。

1.2? 有限元分析結(jié)果

在ANSYS Workbench中利用靜力學(xué)模塊可求得上述3種典型工況下電池包的變形分布情況。發(fā)現(xiàn)在顛簸工況下箱體上蓋受力較大，變形量達到22.65 mm，下文的優(yōu)化設(shè)計，將以此作為極限工況進行對比分析，評價上蓋優(yōu)化效果。

模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)共振區(qū)域均發(fā)生在箱體上蓋，上蓋均呈現(xiàn)不同形式的上下振動，發(fā)生彎曲變形，可見其動剛度不足，亟待加強。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2顯示了3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。

2? ? 上蓋形貌優(yōu)化設(shè)計

2.1? 上蓋優(yōu)化設(shè)計

為改善箱體上蓋剛度嚴重不足的情況，通常在箱體上蓋采用鈑金沖壓方法加工出凸包結(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，以優(yōu)化箱體上蓋的局部剛度。

將上蓋中心部分節(jié)點的靜態(tài)位移、上蓋的一階固有頻率和體積定義為優(yōu)化響應(yīng);將凸包的最小寬度設(shè)為40 mm，拔模角設(shè)為70°，最大沖壓高度設(shè)為10 mm;將上蓋中心部分節(jié)點位移上限定為11 mm，可保證在瞬時加速下上蓋不會與電池模組發(fā)生碰撞，一階固有頻率下限設(shè)為28 Hz。以總體積最小為目標，進行上蓋的優(yōu)化設(shè)計。

靜態(tài)位移和一階固有頻率經(jīng)過25次優(yōu)化迭代計算后收斂，兩者均能達到設(shè)定的參數(shù)要求。最終優(yōu)化后的箱體上蓋的凸包結(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到的約束的最大值為10 mm。

2.2? 上蓋優(yōu)化效果分析

優(yōu)化后上蓋的固有頻率較原模型均有大幅提高，其一階固有頻率高于平坦路面激勵頻率，可避免共振情況發(fā)生，符合設(shè)計要求。由顛簸工況下優(yōu)化后上蓋的最大變形位于上蓋中心，變形量為5.66 mm，較優(yōu)化前降低了72%，剛度改善效果明顯，達到設(shè)計要求。最大等效應(yīng)力落在E型凸包前后兩側(cè)角點，僅為101 MPa，明顯低于材料的屈服極限，強度提升顯著。

3? ? 結(jié)語

本文對電池包進行靜、動態(tài)有限元分析，得到箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在上蓋表面設(shè)置凸包結(jié)構(gòu)進行局部加強;并采用Optistruct軟件，運用形貌優(yōu)化技術(shù)，以動剛度和靜剛度為約束指標，獲得了矩形凸包和E型凸包的結(jié)構(gòu)布局和幾何參數(shù)。經(jīng)驗證，優(yōu)化后上蓋的剛度、強度均得到顯著提升。

[參考文獻]

[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：機械與運載工程學(xué)院，2013.

[2]馮富春，史曉妍，劉麗榮，等.基于AnsysWorkbench的動力電池箱體有限元分析[J].電源世界，2014（11）：33-35.

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[4]李明秋.電池包箱體的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].長春：吉林大學(xué)，2017.