蓄電池支架螺栓預(yù)緊力試驗對標(biāo)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

杜嘉峰，賀廷俊，陳文斐，周肖飛，莫彥彬

（陜汽集團技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

關(guān)鍵字：蓄電池支架；預(yù)緊力；試驗對標(biāo)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

蓄電池作為汽車重要的零部件，在發(fā)動機剛啟動或低速運轉(zhuǎn)時，為車內(nèi)的用電設(shè)備供電[1]。蓄電池支架的作用為支撐、保護蓄電池，如果蓄電池支架的疲勞強度不合格，在長時間作用下可能導(dǎo)致蓄電池支架的疲勞斷裂失效，從而影響蓄電池正常工作[2]?？ㄜ嚿宪囉眯铍姵氐墓潭ǚ绞揭话阃ㄟ^螺栓緊固蓄電池壓板，將蓄電池固定在蓄電池支架上[3]，然而在蓄電池支架疲勞強度仿真分析中發(fā)現(xiàn)，施加在蓄電池支架固定螺栓的預(yù)緊力數(shù)值對疲勞強度影響較大，而且根據(jù)標(biāo)準公式Tf=KFfd，其中Tf為緊固扭矩，K為扭矩系數(shù)，F(xiàn)f為螺栓預(yù)緊力，d為螺栓直徑，扭矩系數(shù)K又與連接件接觸面的摩擦系數(shù)及連接件材料強度有關(guān)，因此由額定緊固扭矩換算得到的螺栓預(yù)緊力數(shù)值由于受到連接件接觸面的摩擦系數(shù)及連接件材料強度等不確定因素的影響，螺栓預(yù)緊力換算值往往過大[4]，與實際狀態(tài)明顯不符，嚴重影響仿真分析結(jié)果的準確性和可信度，無法對設(shè)計產(chǎn)品進行準確的仿真驗證及方案優(yōu)化。

為了解決上述問題，本文采用螺栓預(yù)緊力測量傳感器，對蓄電池壓板實際安裝的螺栓預(yù)緊力進行測量，規(guī)避連接件接觸面的摩擦系數(shù)及連接件材料強度等不確定因素對預(yù)緊力的影響，為準確的有限元仿真分析提供數(shù)據(jù)支持。在準確的預(yù)緊力輸入下，對蓄電池支架進行疲勞強度仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，為蓄電池支架的仿真試驗對標(biāo)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 螺栓預(yù)緊力測量試驗

采用螺栓預(yù)緊力測量傳感器，對蓄電池支架固定螺栓預(yù)緊力進行測量，試驗測試方法如下圖1所示。

圖1 螺栓預(yù)緊力試驗測試示意圖

將環(huán)形壓力傳感器套裝在斜拉桿上，安裝在蓄電池壓板與螺栓之間，螺栓采用M10強度為10.9級的螺栓，用扭力扳手按額定的緊固扭矩14Nm打緊螺栓，盡量避免擰緊過程中環(huán)形壓力傳感器與螺母的相對轉(zhuǎn)動，保證測量精度，重復(fù)三次測量求取平均值，測得螺栓在實際額定擰緊狀態(tài)下的預(yù)緊力為0.16kN，而通過標(biāo)準公式按14Nm緊固扭矩換算得到的螺栓預(yù)緊力為9.3kN。試驗過程數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 預(yù)緊力測量試驗數(shù)據(jù)記錄表

2 有限元模型建立

將幾何導(dǎo)入到有限元分析軟件HyperMesh中，對蓄電池支架及部分車架進行抽中面與網(wǎng)格劃分，殼單元網(wǎng)格平均尺寸為10mm，配重采用rbe3+mass質(zhì)量單元模擬，連接螺栓采用rbe2+beam單元模擬[5]，對固定蓄電池的四個斜拉桿分別施加試驗實測的0.16kN的預(yù)緊力，在壓板與蓄電池之間建立非線性接觸，建立的有限元模型如下圖2所示。

圖2 蓄電池支架有限元分析模型

3 預(yù)緊力試驗對標(biāo)

采用Optistruct求解器提交求解計算，在試驗測量值0.16kN預(yù)緊力作用下，蓄電池壓板變形仿真結(jié)果如下圖3所示，壓板邊緣處變形量為5.36mm；在通過公式換算值9.3kN預(yù)緊力作用下，蓄電池壓板變形仿真結(jié)果如下圖4所示，壓板邊緣處變形量為8.66mm；實際狀態(tài)下蓄電池壓板的變形試驗結(jié)果如下圖5所示，相同位置實測的壓板邊緣處變形量為5.20mm，通過公式換算得到的預(yù)緊力輸入下仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差為66.54%，遠大于最大允許誤差范圍5%，而通過試驗測量得到的預(yù)緊力輸入下仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差僅為3.1%，小于最大允許誤差范圍5%，驗證了仿真模型的正確性與所施加的預(yù)緊力數(shù)值大小的合理性。

圖3 試驗測量預(yù)緊力作用下壓板變形仿真結(jié)果

圖4 公式換算預(yù)緊力作用下壓板變形仿真結(jié)果

圖5 預(yù)緊力作用下壓板變形試驗結(jié)果

4 疲勞強度分析

對蓄電池支架安裝點約束三個方向平動與三個方向轉(zhuǎn)動共6個自由度，同時在Z向施加±3g的循環(huán)加速度載荷，采用Optistruct與nCode求解器求解計算蓄電池支架的疲勞壽命，計算結(jié)果如下圖6所示。

圖6 蓄電池支架的疲勞壽命結(jié)果云圖

由圖6仿真結(jié)果可知，蓄電池支架的最小疲勞壽命為6.16E5次，小于最低疲勞周次1E6次，疲勞壽命不滿足設(shè)計要求，長時間運行有疲勞斷裂的風(fēng)險。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

針對蓄電池支架疲勞壽命不合格，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)疲勞壽命結(jié)果云圖可知，右后支架折彎處壽命較低，前后橫梁中部與蓄電池連接螺栓孔附近壽命較低，對局部較弱區(qū)域進行優(yōu)化改進設(shè)計，在右后支架單側(cè)增加寬度為25mm，高度為35mm，厚度為4mm的三角形加強筋，同時在前后橫梁下側(cè)增加長度為320mm，厚度為4mm，開四個直徑為13mm安裝孔的加強板，具體優(yōu)化方案如下圖7和表2所示。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計改進位置示意圖

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案與原方案結(jié)構(gòu)形式對比

對優(yōu)化方案進行疲勞強度分析，約束與加載不變，分析 結(jié)果如下圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案疲勞壽命結(jié)果云圖

由圖8仿真結(jié)果可知，優(yōu)化方案的最小疲勞壽命為2.75E7次，大于最低疲勞周次1E6次，疲勞壽命滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

本文對蓄電池支架固定螺栓預(yù)緊力進行了測量及試驗對標(biāo)，試驗測量預(yù)緊力輸入下仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差僅為3.1%，小于最大允許誤差范圍5%，為準確的有限元仿真分析提供了數(shù)據(jù)支持。同時建立了蓄電池支架有限元仿真分析模型，在準確的預(yù)緊力輸入下，對蓄電池支架進行了疲勞強度仿真分析，并對疲勞強度不合格區(qū)域進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案滿足了疲勞強度設(shè)計要求，為蓄電池支架的仿真試驗對標(biāo)提供了依據(jù)，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的參考意義。