黃杰文

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

引言

新能源汽車屬于清潔能源，能夠大幅度緩解石油壓力，應(yīng)對資源緊張問題，并且能夠達(dá)到尾氣的零排放。在新能源汽車中，電池包提供主要的能量來源，是非常重要的動力系統(tǒng)，電池包支架將電池包安裝固定在車身底部，其結(jié)構(gòu)的強度性能直接影響整車的可靠性和安全性。電池包支架是復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)，當(dāng)車輛行駛在顛簸路面時，其載荷比較復(fù)雜，若其強度性能不足，容易造成疲勞風(fēng)險，大大降低了整車的穩(wěn)定性。為了校核某新能源輕客電池包支架的強度性能，首先采用有限元方法建立電池包支架離散化模型，然后對其制動、轉(zhuǎn)彎和上跳和下跳工況的強度性能進(jìn)行分析，最后基于集成平臺對其進(jìn)行輕量化設(shè)計和實車驗證。

1 有限元理論

有限元分析的基本思想是首先將結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，劃分成若干個有限元單元，然后構(gòu)建平衡方程組，最后基于變分原理求解平衡方程組。有限元方法具有較高的靈活性和可靠性，能夠準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的各項特性。結(jié)構(gòu)載荷與位移的運動方程[1-2]為：

式中：K是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；f是結(jié)構(gòu)的載荷列陣；q是結(jié)構(gòu)的位移列陣。

2 強度性能分析

2.1 建立有限元模型

如圖1所示，為某新能源輕客電池包支架三維模型。該電池包支架主要由多根橫梁、縱梁和連接支架組成，將電池包通過螺栓與車身底部連接在一起，為整車提供電力動源。電池包支架的總重量為32.5 kg，電池包支架的材料為QSTE 460TM，其屈服強度為460 MPa。

圖1 電池包支架三維模型

首先將電池包支架三維模型導(dǎo)入前處理軟件Hypermesh[3-4]中，抽取其各個零部件的中面，同時對其各個表面進(jìn)行幾何清理，刪除缺失面和微小特征，然后采用5 mm的四邊形單元對其進(jìn)行離散化處理，過渡區(qū)域允許少量的三角形單元，螺栓孔周圍采用均勻整齊的四邊形以避免發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。焊縫采用ACM（Shell Gap）單元模擬連接，螺栓單元RB2單元模擬連接。建立材料屬性并賦予各個部件，以此建立該電池包支架有限元模型。同時為了準(zhǔn)確獲取電池包支架的性能，將其裝配在整車模型中，左右兩個電池包的重量分別為230 kg和198 kg，如圖2所示。

圖2 電池包支架有限元模型

2.2 強度分析結(jié)果

車輛在行駛過程中，電池包支架受力比較復(fù)雜，其主要工況分制動、轉(zhuǎn)彎、上跳和下跳。為了獲取電池包支架的強度性能，基于電池包支架有限元模型，并且采用Nastran軟件[5]約束前懸架12456自由度，約束后懸架12346自由度，約束前、后減震器Z向自由度。電池包支架在制動工況時，主要承受縱向載荷和垂直向下載荷，因此設(shè)置X向1G，Z向－3G，以此對其進(jìn)行靜態(tài)分析。如圖3所示，為電池包支架制動工況的應(yīng)力分布云圖，由圖3可知，電池包支架的應(yīng)力集中點位于其第三橫梁處，其最大應(yīng)力值為404.3 MPa，低于材料屈服值，能夠滿足性能要求。

圖3 制動工況的應(yīng)力分布云圖

電池包支架在轉(zhuǎn)彎工況時，主要承受橫向載荷和垂直向下載荷，因此設(shè)置Y向1G，Z向－3G，以此對其進(jìn)行靜態(tài)分析。如圖4所示，為電池包支架轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力分布云圖，由圖4可知，電池包支架的薄弱點位于后連接支架處，其最大應(yīng)力值為404.5 MPa，小于材料許用應(yīng)力，符合設(shè)計要求。

圖4 轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力分布云圖

電池包支架在上跳工況時，主要承受垂直向上載荷，因此設(shè)置Z向2.5 G，以此對其進(jìn)行靜態(tài)分析。如圖5所示，為電池包支架上跳工況的應(yīng)力分布云圖，由圖5可知，電池包支架的最大應(yīng)力為301.3 MPa，低于材料極限值，滿足強度性能要求。

圖5 上跳工況的應(yīng)力分布云圖

電池包支架在下跳工況時，主要承受垂直向下載荷，因此設(shè)置Z向－3 G，以此對其進(jìn)行靜態(tài)分析。如圖6所示，為電池包支架下跳工況的應(yīng)力分布云圖，由圖6可知，電池包支架在受到垂向重力載荷時，后連接支架的應(yīng)力值達(dá)到最大，為421.8 MPa，仍然符合使用要求。

圖6 下跳工況的應(yīng)力分布云圖

3 輕量化設(shè)計

3.1 輕量化手段

通過基于電池包支架強度性能分析可知，其主要受力工況的應(yīng)力水平均低于材料屈服值，具有一定的輕量化可能。基于Isight軟件[6]加載電池包支架有限元模型，并對電池包支架各個零部件的厚度值進(jìn)行參數(shù)化處理，同時集成其強度性能分析命令流，以電池包總重量最小化為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置其最大應(yīng)力值小于460 MPa，并且采用自適應(yīng)模擬退火算法對其進(jìn)行輕量化設(shè)計。

3.2 輕量化結(jié)果

如圖7所示，為優(yōu)化之后電池包支架在下跳工況的應(yīng)力云圖。由圖7可知，優(yōu)化之后電池包支架的最大應(yīng)力值為455.5 MPa。與此同時，其制動工況、轉(zhuǎn)彎工況和上跳工況的最大應(yīng)力值分別為436.6 MPa、436.8 MPa和325.4 MPa，其應(yīng)力值均小于目標(biāo)值，能夠滿足強度性能設(shè)計要求，可以有效降低故障率，減小疲勞失效風(fēng)險。與此同時，優(yōu)化之后電池包支架的總重量降低至30.2 kg，成功減重7.1%，有效降低了整車重量，能夠提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖7 優(yōu)化后下跳工況的應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

基于有限元理論建立電池包支架網(wǎng)格模型，采用Nastran軟件約束車身的自由度，對其在制動、轉(zhuǎn)彎、上跳和下跳工況的強度性能進(jìn)行仿真分析，得到其最大應(yīng)力值分別為404.3 MPa、404.5 MPa、301.3 MPa和421.8 MPa，均小于材料屈服值，符合設(shè)計要求?；贗sight集成軟件對電池包支架的厚度值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后電池包重量降低至30.2 kg，減輕了7.1%，實現(xiàn)了輕量化的目的。