鋁合金電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

湯貴庭

1.重慶廣播電視大學(xué) 重慶市 400052 2.重慶工商職業(yè)學(xué)院 重慶市 401520

1 引言

電動(dòng)汽車的大力發(fā)展，換電式電動(dòng)汽車以換電時(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)廣受企業(yè)青睞。電池箱是盛裝電池的重要零部件之一，電池箱的設(shè)計(jì)既要滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，也要滿足電氣設(shè)計(jì)要求。

因企業(yè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，在電池箱材料厚度選擇上不是最優(yōu)，在一定程度上造成了浪費(fèi)?；诖?，結(jié)合三維建模軟件對(duì)電池箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用有限元軟件對(duì)電池箱進(jìn)行有限元分析非常有必要。

本文按照電池箱設(shè)計(jì)要求，對(duì)電池箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和靜動(dòng)態(tài)特性分析。以避開(kāi)白車身振動(dòng)頻率范圍和輕量化為目標(biāo)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用二分法逼近試驗(yàn)獲得電池箱的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2 電池箱設(shè)計(jì)要求

電池箱的設(shè)計(jì)需要滿足不僅要滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，還要滿足電氣設(shè)計(jì)要求。

（1）機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)要求。滿足臺(tái)架試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及開(kāi)模要求，提高電動(dòng)汽車的整體匹配性能。在振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)需要滿足在X軸、Y軸、Z軸的振動(dòng)頻率范圍是10HZ-55HZ；最大加速度為30m/s2；掃頻次數(shù)為10次；掃頻頻率為10CT/min。試驗(yàn)后無(wú)變形、無(wú)松動(dòng)、無(wú)損壞。（2）碰撞安全要求。電池單體在電池箱內(nèi)彼此接觸，不會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象。通過(guò)電池固定帶對(duì)電池固定。發(fā)生碰撞時(shí)，電池不會(huì)甩出車外；過(guò)流裝置會(huì)迅速斷開(kāi)，不會(huì)發(fā)生短路；受到擠壓變形時(shí)，電池內(nèi)部物質(zhì)不會(huì)流出。（3）通風(fēng)、防水、絕緣、散熱要求。預(yù)留通風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)散熱。電池箱噴涂絕緣漆，對(duì)焊縫處涂密封膠，接插件自帶密封，實(shí)現(xiàn)防水性能。

3 電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元模型建立

3.1 電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池箱包括電池箱本體、線纜組件、電池單體、連接器以及電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？紤]維修的便捷性、電池的互換性和通用性，本文所研究的電池箱設(shè)計(jì)為無(wú)蓋長(zhǎng)方體，長(zhǎng)寬高為725mm x 215mm x 280mm。沿長(zhǎng)方體長(zhǎng)的方向，兩端各放置兩塊電池單體，中間放置電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組件、連接器及線纜。

3.2 電池箱有限元模型建立

利用有限元軟件對(duì)電池箱進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，獲取復(fù)雜工況下電池箱受外力時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移情況?；诜治鼋Y(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度評(píng)價(jià)，不合理參數(shù)進(jìn)行變更和優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)力學(xué)評(píng)價(jià)及試驗(yàn)校核，確定最終設(shè)計(jì)方案。

電池箱有限元分析目標(biāo)：對(duì)車輛行駛時(shí)的急轉(zhuǎn)彎、急剎車、爬坡、涉水、劇烈顛簸振動(dòng)等不同工況進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。達(dá)到結(jié)構(gòu)最優(yōu)的效果。

靜態(tài)分析；保證電池箱在承載沖擊、扭轉(zhuǎn)、彎曲等復(fù)雜工況時(shí)，不會(huì)發(fā)生塑性變形和開(kāi)裂現(xiàn)象。

動(dòng)態(tài)分析；包括固有特性分析和和響應(yīng)分析，振型、頻率等相關(guān)模態(tài)參數(shù)組成了電池箱的固有特性，決定對(duì)動(dòng)載荷響應(yīng)。對(duì)模態(tài)分析，得到電池箱振型分布和固有頻率，是判斷電池箱是否會(huì)發(fā)生共振依據(jù)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)指標(biāo)之間往往會(huì)相互矛盾，確定主要指標(biāo)，要求電池箱滿足一個(gè)或多個(gè)主要指標(biāo)要求，次要指標(biāo)達(dá)到最佳。

利用有限元軟件進(jìn)行前處理，得到電池箱有限元模型。

3.3 電池箱靜動(dòng)態(tài)分析

3.3.1 剛度矩陣

電池箱結(jié)構(gòu)單元的剛度矩陣由e=bu得到。e為單元的應(yīng)變矩陣，u為單元結(jié)點(diǎn)的位移列陣。剛度矩陣與電池箱材料的彈性模量和泊松比有關(guān)。

3.3.2 有限元應(yīng)力平衡方程

采用應(yīng)力應(yīng)變和單元應(yīng)變位移關(guān)系，將二維單元的應(yīng)力矩陣轉(zhuǎn)化為結(jié)點(diǎn)位移關(guān)系，基于位移場(chǎng)分布，滿足應(yīng)力平衡方程。用直接法或迭代法求解器求解平衡方程。

3.3.3 電池箱靜態(tài)分析

靜態(tài)分析，采用RADIOSS計(jì)算，電池箱單元類型選擇四邊形和三角形的混合形式。電池箱分兩塊加工，通過(guò)單排布置點(diǎn)焊焊接。計(jì)算電池箱的位移、應(yīng)力，進(jìn)行強(qiáng)度校核，避免出現(xiàn)失效。

汽車零部件常用材料有普通鋼板、高強(qiáng)鋼、鋁合金，有各自不同特點(diǎn)。鋁合金因其密度只有鋼的1/3，在汽車零部件中應(yīng)用較廣，如車身覆蓋件、輪轂、儀表架、行李箱罩、發(fā)動(dòng)機(jī)罩大量使用鋁合金材料[1]。

熱傳導(dǎo)系數(shù)是衡量電池箱的熱傳導(dǎo)、散熱性能重要指標(biāo)，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，熱傳導(dǎo)性能越好。就熱傳導(dǎo)系數(shù)而言，鐵為80W/mK，鋁為237W/mK。鋁合金除了具有良好的導(dǎo)熱和散熱性外，還具有機(jī)械加工性能好、適用于各種制造方法、耐腐蝕性好、回收重復(fù)利用率高等特點(diǎn)[2]。電池箱盛裝電池，電池消耗會(huì)散發(fā)大量熱量，本文選用5052-H32作為鋁合金電池箱材料。

材料為各向同性材料，彈性模量為7x104N/mm-2，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為195N/mm-2，質(zhì)量密度為2.68x10-9Kg·mm-3。經(jīng)查閱資料，汽車行駛時(shí)主要受到扭轉(zhuǎn)、沖擊、縱向和側(cè)向載荷，取純電動(dòng)汽車在車輛顛簸、急剎車、急拐彎路況下的最大加速度為垂直向上的2g、與行駛方向相反1g、向左0.4g[3]。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，保證成本最優(yōu)和工藝合理性，選用所有部件厚度一致的電池箱，厚度為4mm。受顛簸工況是汽車運(yùn)行時(shí)電池箱的極限工況，僅考慮車輛在此狀況下的受載荷情況。

每個(gè)電池箱內(nèi)裝有四塊電池單體，每塊電池單體為22.5Kg，載荷大小為882N。取最大沖擊加速度為3g，依據(jù)電池箱受力節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)計(jì)算力的大小。電池箱節(jié)點(diǎn)為8503個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力為0.3118N。

3.3.4 電池箱模態(tài)分析

模態(tài)分析分為低階模態(tài)和高階模態(tài)。低階模態(tài)反映電池箱的剛度等特征，通過(guò)模態(tài)結(jié)果，確定車身與電池箱共振頻率范圍，進(jìn)行控制，避免共振。在電池箱動(dòng)態(tài)分析時(shí)，低階模態(tài)對(duì)電池箱影響要高于高階模態(tài)，用低階模態(tài)反應(yīng)固有振型和固有頻率[4]。

3.4 靜動(dòng)態(tài)結(jié)果分析

利用有限元軟件對(duì)電池箱進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，電池箱應(yīng)力云圖和一階模態(tài)云圖分析結(jié)果如圖1所示。電池箱的質(zhì)量為4.25kg，最大應(yīng)力為125.9MPA，一階模態(tài)為119.21HZ。

最大應(yīng)力發(fā)生在電池箱的前后兩個(gè)側(cè)面，一階模態(tài)最大值發(fā)生在電池箱的底部。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，其中強(qiáng)度條件為σr≤[σ]，[σ]為材料的許用應(yīng)力。所使用的鋁合金為塑性材料，材料發(fā)生塑性變形會(huì)導(dǎo)致材料失效，用Von Mises等效應(yīng)力來(lái)判斷電池箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。使用鋁合金材料屈服極限為290MPA，最大應(yīng)力125.9MPA遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

圖1 電池箱應(yīng)力云圖和一階模態(tài)云圖

4 電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)包括：目標(biāo)函數(shù)、約束條件、設(shè)計(jì)變量。目標(biāo)函數(shù)：f（x）=f（x1，x2，x3，x4，...，xn）；

約束條件：hi（x）∈（x0，x01），i=1，2，3，...，m。Gj（x）=0，j=1，2，3，...，mj。設(shè)計(jì)變量：xkL≤xk≤xk

U，k=1，2，3，...，n。采用局部逼近的數(shù)學(xué)迭代方法進(jìn)行求解優(yōu)化。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：改變一階模態(tài)頻率；減輕電池箱質(zhì)量。

理論分析，應(yīng)力值越小對(duì)電池箱越不容易發(fā)生變形，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要綜合各方面因素考慮，電池箱應(yīng)力滿足小于材料屈服強(qiáng)度，模態(tài)避開(kāi)白車身共振頻率10~55HZ的范圍即可。

采用二分法進(jìn)行逼近試驗(yàn)，其他條件不變，材料厚度為1.75mm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，得到應(yīng)力為157.7MPA，模態(tài)為107.89HZ，應(yīng)力值滿足要求，但還可以進(jìn)一步逼近試驗(yàn)，材料厚度為1.625mm，得到應(yīng)力大小為177.9MPA時(shí)滿足材料性能要求，不會(huì)發(fā)生較大的屈服極限變形[5]。此時(shí)電池箱的靜動(dòng)態(tài)分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，優(yōu)化后的電池箱最大應(yīng)力為177.9MPA，發(fā)生在電池箱中部通風(fēng)散熱孔附近。優(yōu)化后的電池箱最大位移為5.664mm，發(fā)生在電池箱底部中央位置。優(yōu)化后的電池箱一階模態(tài)為102.34HZ，電池箱前后兩側(cè)振動(dòng)較為劇烈。此時(shí)，電池箱的質(zhì)量為3.453Kg，質(zhì)量比優(yōu)化前減輕18.75%。

圖2 電池箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的靜動(dòng)態(tài)分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

（1）按照電池箱設(shè)計(jì)要求，建立了電池箱結(jié)構(gòu)三維模型和有限元分析模型。（2）選取了彈性模量為7x104N/mm-2，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為195N/mm-2，質(zhì)量密度為2.68x10-9Kg·mm-3的5052-H32鋁合金作為電池箱材料，進(jìn)行極限載荷狀況下的靜動(dòng)態(tài)分析。（3）進(jìn)一步研究，設(shè)計(jì)的電池箱有優(yōu)化空間，對(duì)電池箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的電池箱厚度為1.625mm，此時(shí)電池箱的最大應(yīng)力為177.9MPA，最大位移為5.664mm，一階模態(tài)為102.34HZ，質(zhì)量為3.453Kg，質(zhì)量減輕了18.75%。