純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池舉升機(jī)有限元分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳德燈，王天生，韋相福，方 正，龐新渟

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步及人們生活水平的不斷提高，汽車技術(shù)也隨之向智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展。純電動(dòng)汽車的維修與保養(yǎng)隨之越來越重要，需求量更大。在對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行維修與保養(yǎng)的過程中，動(dòng)力電池舉升機(jī)大量使用，所需材料量較大。在保證動(dòng)力電池舉升機(jī)設(shè)備承載能力下對(duì)其進(jìn)行輕量化研究非常有必要。

20世紀(jì)20年代，Manyl和Weaver等[1]聯(lián)合開發(fā)一款舉升機(jī)器，其可以在不同的環(huán)境條件下，隨時(shí)隨地地調(diào)節(jié)舉升機(jī)器本身的舉升位置，可以調(diào)節(jié)的高度達(dá)1.2192 m。1925年，Lunati[2-3]研發(fā)出全球首臺(tái)使用液力裝置的舉升機(jī)，使得汽車的維修更便捷、更有動(dòng)力。2005年，包小瑛[5]完成了剪式舉升機(jī)的靜應(yīng)力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了剪式舉升機(jī)達(dá)到行業(yè)結(jié)構(gòu)的規(guī)定要求，并對(duì)剪式舉升機(jī)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使上板厚度由9 mm縮減到7.2 mm的厚度，減輕了這個(gè)剪式舉升機(jī)整體重量，減少了生產(chǎn)成本。2020年，趙思萱[4]對(duì)小剪式舉升機(jī)進(jìn)行靜應(yīng)力分析，并驗(yàn)證舉升機(jī)的剛度和強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和舉升機(jī)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

采用Workbench軟件對(duì)動(dòng)力電池舉升機(jī)進(jìn)行靜應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證其安全、承載能力的情況下，減少動(dòng)力電池舉升機(jī)整體重量及動(dòng)力電池舉升機(jī)生產(chǎn)成本。

1 動(dòng)力電池舉升機(jī)

本研究的動(dòng)力電池舉升機(jī)是以某款HY-JSDC-3115動(dòng)力電池舉升機(jī)作為參考的對(duì)象，采用的是移動(dòng)設(shè)計(jì)，對(duì)場地使用要求非常低，可以隨時(shí)隨地移動(dòng)，可適用于純電動(dòng)汽車維修公司對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的舉升與下降要求。通過CATIA軟件建立動(dòng)力電池舉升機(jī)模型，得到幾何模型，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池舉升機(jī)幾何模型

表1 動(dòng)力電池舉升機(jī)基本參數(shù)

2 動(dòng)力電池舉升機(jī)有限元分析

2.1 動(dòng)力電池舉機(jī)有限元模型

將CATIA建立的動(dòng)力電池舉升機(jī)幾何模型導(dǎo)入到Workbench有限元軟件，進(jìn)行模型的修改完善，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用自適應(yīng)自動(dòng)網(wǎng)格化方式來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)不同部件采用不同網(wǎng)格密度需求保證分析的精度，整體控制在15 mm以內(nèi)。定義結(jié)構(gòu)的材料屬性，動(dòng)力電池舉升機(jī)結(jié)構(gòu)材料采用Q355，材料基本參數(shù)見表2。

表2 材料基本參數(shù)

建立的有限元模型如圖2所示，共建立了520002單元，174792節(jié)點(diǎn)。

圖2 動(dòng)力電池舉升機(jī)有限元模型

2.2 動(dòng)力電池舉升機(jī)有限元分析

有限元法能夠解決非常復(fù)雜的工程問題，把本來是一個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上來劃分有限元。一般情況下是通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)形成相互聯(lián)結(jié)及相互作用，在原則上是承擔(dān)著和真實(shí)載荷相等的單元節(jié)點(diǎn)載荷，并且在力的平衡條件下完成有限元分析，最后依據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形條件使得有限個(gè)單元節(jié)點(diǎn)刷新組成可以實(shí)現(xiàn)整體的綜合求解。

Workbench分析過程的前處理是有2個(gè)方面：①對(duì)幾何實(shí)體模型的建立和完善；②把模型轉(zhuǎn)換成有限元模型。有限元模型基本是用幾何實(shí)體模型轉(zhuǎn)換的，但轉(zhuǎn)化之前的模型不參與相關(guān)分析。主要是通過以下4種方法完成Workbench有限元模型的建立。

（1）使用Workbench軟件建立和完善有限元模型，并且在這基礎(chǔ)上網(wǎng)格化。

（2）使用建模軟件完成對(duì)實(shí)體模型的構(gòu)建，導(dǎo)入Workbench分析軟件完成模型轉(zhuǎn)換，完善后進(jìn)行網(wǎng)格化。

（3）在Workbench應(yīng)用環(huán)境中建立完善結(jié)構(gòu)單元和節(jié)點(diǎn)。

（4）在建模軟件中建立完善有限元模型，最后將單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)導(dǎo)入到Workbench分析軟件當(dāng)中。

在本研究中要添加的載荷中考慮動(dòng)力電池舉升機(jī)舉升的最大重量，按照這個(gè)動(dòng)力電池舉升機(jī)可以舉升不超過1000 kg的動(dòng)力電池，即可以在動(dòng)力電池舉升機(jī)上施加9800 N，集中力方向向下，即為Y方向上的負(fù)方向。如圖3所示。

圖3 動(dòng)力電池舉升機(jī)載荷施加

對(duì)動(dòng)力電池舉升機(jī)有限元模型進(jìn)行求解，選取動(dòng)力電池舉升機(jī)舉升高度不同的4個(gè)工況來進(jìn)行分析，表3所列為4個(gè)工況的基本參數(shù)。

表3 工況的基本情況

工況的結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況1的變形圖

動(dòng)力電池舉升機(jī)4個(gè)工況的變形結(jié)果見表4。

表4 變形量

從表4可以看出，動(dòng)力電池舉升機(jī)變形量小于舉升機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTT 155-2004[6]的規(guī)定，動(dòng)力電池舉升機(jī)變形量滿足要求。

工況1的應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況1的應(yīng)力圖

動(dòng)力電池舉升機(jī)4個(gè)工況的應(yīng)力結(jié)果見表5。

表5 應(yīng)力值

從表5可以看出，動(dòng)力電池舉升機(jī)應(yīng)力最大值是155 MPa，在Q355許用應(yīng)力255 MPa的范圍內(nèi)，動(dòng)力電池舉升機(jī)應(yīng)力滿足要求。

3 動(dòng)力電池舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在Workbench分析軟件對(duì)優(yōu)化問題使用的措施一般是在設(shè)計(jì)資源管理器“Design Explorer”中的優(yōu)化設(shè)計(jì)類型。最主要的是直接優(yōu)化方式“Design Explorer”。

參數(shù)化設(shè)計(jì)，簡單來說就是在幾何實(shí)體模型上采用參數(shù)化，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用參數(shù)化的模型，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的幫助，擴(kuò)展了有限元分析的能力。參數(shù)化后的模型，可以在Workbench分析軟件上來優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在這個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上要設(shè)計(jì)基本設(shè)計(jì)變量、添加基礎(chǔ)狀態(tài)變量、確定問題目標(biāo)函數(shù)等。從而使優(yōu)化設(shè)計(jì)有明確的優(yōu)化方向，進(jìn)行多次反復(fù)迭代分析后，在完成優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果中選取一個(gè)最合理的結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采用直接優(yōu)化方式，基本過程是：參數(shù)化模型后，在Workbench分析軟件上聯(lián)結(jié)導(dǎo)入直接優(yōu)化。

對(duì)動(dòng)力電池舉升機(jī)幾何模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)入Workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。選擇對(duì)優(yōu)化結(jié)果影響的尺寸參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化，在Direct Optimization中，選取重量、體積、應(yīng)力、變形作為參考條件，選取20個(gè)優(yōu)化點(diǎn)作為參考點(diǎn)。通過優(yōu)化篩選后，在給出的20個(gè)優(yōu)化結(jié)果中選擇合適的尺寸作為參考，確定對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)有幫助、對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)影響大作為完成對(duì)結(jié)構(gòu)上優(yōu)化的依據(jù)。

從減輕動(dòng)力電池舉升機(jī)整體重量、減少其生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，針對(duì)性的對(duì)動(dòng)力電池舉升機(jī)的車架豎直方管、支撐支架、上架平面進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，模型尺寸參數(shù)優(yōu)化見表6。

表6 參數(shù)對(duì)比

對(duì)動(dòng)力電池舉升機(jī)要優(yōu)化的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化前后4個(gè)工況的靜應(yīng)力分析對(duì)比，靜應(yīng)力分析變形結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況1優(yōu)化前（a）后（b）變形圖

靜應(yīng)力分析應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖7 工況1優(yōu)化前后應(yīng)力圖

通過表6～8結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的最大應(yīng)力增大了，但是還是小于材料的許用應(yīng)力，最大變形在規(guī)定的變形范圍內(nèi)。優(yōu)化后的結(jié)果滿足使用要求。

表7 變形量

表8 應(yīng)力值

4 結(jié)語

對(duì)建立動(dòng)力電池舉升機(jī)有限元模型，通過Workbench分析軟件對(duì)動(dòng)力電池舉升機(jī)進(jìn)行前處理、添加載荷與約束等一系列操作后進(jìn)行靜態(tài)分析。經(jīng)過靜力學(xué)分析應(yīng)力最大值不超過Q355許用應(yīng)力，動(dòng)力電池舉升機(jī)符合使用要求。然后通過參數(shù)化模型進(jìn)行直接優(yōu)化設(shè)計(jì)，在多個(gè)優(yōu)化結(jié)果中選取最合理的優(yōu)化結(jié)果。從減輕動(dòng)力電池舉升機(jī)整體重量、減少動(dòng)力電池舉升機(jī)生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，進(jìn)行部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果符合使用要求，優(yōu)化后的整體重量比優(yōu)化前減少了11.96 kg，優(yōu)化后最大應(yīng)力比材料的許用應(yīng)力小。