基于模態(tài)試驗的動力電池箱上蓋的優(yōu)化設(shè)計*

魯春艷，韋毅恒，趙錦華，郭旭陽，何安平，萬長東

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215100)

0 引言

隨著能源問題的日益嚴(yán)峻和人們對生態(tài)環(huán)境的更高要求,輕量化已成為節(jié)能減排的重要途徑。動力電池箱作為純電動汽車的儲能部件,對電池模組起到承載和防護(hù)的作用,其整備質(zhì)量占整車質(zhì)量的18%～30%,具有較大的輕量化空間;同時,動力電池箱的結(jié)構(gòu)耐久、噪聲、振動與聲振粗糙度(NVH)以及耐撞性對整車性能均有重要影響,因此對電池箱的設(shè)計開發(fā)提出了更高的要求[1]。動力電池箱的上蓋位于動力電池箱體的上方,不受動力電池箱體側(cè)面的影響,在結(jié)構(gòu)上,需具備密封作用;在性能上,上蓋模態(tài)直接影響到整車噪聲、振動與聲振粗糙度(NVH)性能及結(jié)構(gòu)耐久性能;因此,對電池箱上蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時,需同時考慮動力電池上蓋模態(tài)性能和輕量化要求[2]。

形貌優(yōu)化是一種在薄壁、板殼結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強筋分布的概念設(shè)計方法,用于設(shè)計薄壁結(jié)構(gòu)強化壓痕,在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時能滿足強度、頻率等要求。尤其適用于板殼結(jié)構(gòu),它可以靈活地設(shè)定平面起筋的類型,包括高度、寬度和角度,從而滿足工藝要求。

為了提升電池箱上蓋的模態(tài)性能,尋找電池箱上蓋最優(yōu)的加強筋布局,實現(xiàn)電池箱上蓋的輕量化,本文在模態(tài)試驗的基礎(chǔ)上利用形貌優(yōu)化方法對電池箱上蓋模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 電池箱上蓋有限元模型的建立

電池箱機械結(jié)構(gòu)如圖1所示,由上蓋、電池模組、下箱體和吊耳等組成,其中上蓋通過螺栓與下箱體連接。電池箱整體通過螺栓吊耳與車身固接。

圖1 電池箱結(jié)構(gòu)圖

將電池箱上蓋的幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh中。由于電池箱上蓋在厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個方向的尺寸,因此可采用殼單元來模擬其實體結(jié)構(gòu)。對上蓋抽中面以后進(jìn)行幾何清理,在不影響計算的前提下,簡化一些小特征諸如小倒角、小圓角等。網(wǎng)格單元基本尺寸設(shè)為8 mm,最終離散成14 196個節(jié)點和14 010個單元,如圖2所示。

圖2 電池箱上蓋有限元模型

模型定義為殼單元屬性,厚度為1.0 mm。上蓋的材料為SPCC,材料參數(shù)如表1所示,模型總質(zhì)量為6.066 kg。

表1 電池箱上蓋材料參數(shù)

2 上蓋有限元自由模態(tài)分析

電動汽車在實際行進(jìn)過程中,受到的主要激勵源是路面激振和電機振動載荷。當(dāng)激勵頻率與電池箱固有頻率接近時,電池箱會在激勵作用下產(chǎn)生共振,長時間的共振會損壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu),影響電池安全性。而電池箱結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)多表現(xiàn)為整體或局部的大規(guī)模振動,其特點是振型的節(jié)點少,所以對電池箱上蓋的仿真模態(tài)分析主要計算結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)。

前處理完成之后,求解電池箱上蓋的自由模態(tài),其前6階非零固有頻率如表2所示,對應(yīng)的前3階振型如圖3所示。

表2 電池箱上蓋前6階非零固有頻率

圖3 電池箱上蓋前3階仿真模態(tài)振型圖

由圖3可知:第1階模態(tài)振型表現(xiàn)為上蓋四個角部分垂直于上蓋平面方向的振動,第2階模態(tài)振型表現(xiàn)為上蓋中心部分垂直于上蓋平面方向的振動,第3階模態(tài)振型表現(xiàn)為上蓋左右兩個中心部分垂直于上蓋平面方向的振動;且前3階振型的幅值相對比較大。分析結(jié)果表明,在這些激勵作用下電池箱產(chǎn)生的響應(yīng)大于高頻,可對上蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),以增加其剛性。

3 模態(tài)試驗驗證

3.1 模態(tài)測試系統(tǒng)連接設(shè)置

為了驗證計算模態(tài)分析的結(jié)果,對該動力電池上蓋進(jìn)行模態(tài)測試。測試系統(tǒng)主要由激勵裝置、傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。測試設(shè)備清單如表3所示,測試設(shè)備連接設(shè)置如圖4所示。進(jìn)行模態(tài)試驗時,通過計算模態(tài)分析并結(jié)合實際經(jīng)驗來確定被測結(jié)構(gòu)支撐點、激勵點和響應(yīng)點的位置。

表3 測試設(shè)備清單

3.2 測試方法

試驗前將傳感器、力錘、數(shù)據(jù)采集箱及計算機連接好,調(diào)試運行并檢測信號質(zhì)量,盡量避免外界干擾及儀器接觸不良帶來的影響。將電池箱上蓋自由懸掛,在上蓋上均勻選取9個測點,粘貼加速度傳感器,具體分布如圖5所示。在上蓋上取四個位置N1、N2、N3、N4作為力錘敲擊點,采用單輸入多輸出的方式,多次敲擊不同位置以防某階頻率無法觸發(fā)。

圖5 傳感器測量點及激勵點布置

為提取電池箱上蓋的模態(tài)參數(shù),采用單點激振多點拾振的試驗方法,設(shè)置采集信號頻率有效帶寬為500 Hz。試驗中用鋼頭力錘進(jìn)行脈沖激振,對激振點進(jìn)行敲擊,當(dāng)脈沖達(dá)到觸發(fā)水平時,數(shù)據(jù)采集器同時采集9個測點的加速度傳感器振動信號。對4個激勵點分別進(jìn)行3次錘擊試驗,采集各點振動信號,采用譜平均法得到不同激勵點的頻響函數(shù)曲線,然后采用PolyMax模態(tài)參數(shù)識別法,提取電池箱上蓋模態(tài)參數(shù)[3]。得到的電池箱上蓋穩(wěn)態(tài)圖如圖6所示。

圖6 模態(tài)試驗穩(wěn)態(tài)圖(PolyMax)

采用PolyMax方法選擇極點時只需要極少量的運算和整理,選取的極點較為清晰,且“s”點較多,并且產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)圖可以識別高度密集的模態(tài),對每一個模態(tài)的頻率、阻尼和振型都有較好的識別精度[4]。在試驗頻段0～500 Hz內(nèi)提取各階模態(tài),試驗?zāi)B(tài)頻率如表4所示,前3階模態(tài)振型如圖7所示。

表4 上蓋固有頻率的試驗與仿真值對比

圖7 電池箱上蓋模態(tài)試驗前3階振型

由圖7可知:1階試驗?zāi)B(tài)振型為四角扭轉(zhuǎn),2階試驗?zāi)B(tài)振型為中心區(qū)域彎曲,3階試驗?zāi)B(tài)振型為兩側(cè)彎曲,與圖3的仿真模態(tài)振型相一致。由表4可以看出:試驗?zāi)B(tài)頻率與仿真模態(tài)頻率相比較,數(shù)據(jù)誤差平均未超過5%,最小誤差為0.55%。通過分析發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致,驗證了上蓋建模的正確性和有效性。

4 電池箱上蓋形貌優(yōu)化設(shè)計

4.1 形貌優(yōu)化理論

形貌優(yōu)化主要應(yīng)用于薄殼類結(jié)構(gòu),是在約束條件下尋找薄殼類結(jié)構(gòu)的最優(yōu)加強筋形狀或最優(yōu)加強筋布置位置,從而提高薄殼結(jié)構(gòu)的剛度,以達(dá)到提升模態(tài)性能的目的。

形貌優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型描述如下[5]:

(1)

其中:ei為單元節(jié)點在給定設(shè)計區(qū)域的位移;C為設(shè)計結(jié)構(gòu)的柔度;U為載荷條件下單元節(jié)點的位移;K為單元節(jié)點位移優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)剛度;D為設(shè)計區(qū)域內(nèi)允許單元節(jié)點移動的上限值。

4.2 電池箱上蓋形貌優(yōu)化

動力電池箱上蓋四周由螺栓與下箱體相固結(jié),為密封區(qū)域,此處需要保持完整的平面,因此將上蓋四周區(qū)域定義為非設(shè)計區(qū)域,其余均為設(shè)計區(qū)域,如圖8所示。

圖8 電池箱上蓋形貌優(yōu)化有限元模型

以設(shè)計區(qū)域單元的應(yīng)力和節(jié)點的位移變化為設(shè)計變量,根據(jù)第3節(jié)模態(tài)分析結(jié)果,約束其第1階模態(tài)頻率大于32 Hz,以整個電池箱系統(tǒng)應(yīng)變能最小作為目標(biāo)函數(shù)。上蓋起筋參數(shù)設(shè)置如下:最小肋寬14 mm,一般為單元寬度的1.5倍～2倍,起肋角為60°,起筋高度為4 mm[6]。設(shè)置優(yōu)化結(jié)果關(guān)于兩垂直平面對稱,經(jīng)優(yōu)化迭代后得到電池箱上蓋的加強筋布局,如圖9所示。根據(jù)形貌優(yōu)化云圖以及制造工藝要求對電池箱上蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,最終設(shè)計的模型如圖10所示。在上蓋上方成型出了強化壓痕,以增加上蓋的剛度,并提高低階模態(tài)頻率,同時將上蓋的厚度由1 mm減薄到0.8 mm。

圖9 電池箱上蓋形貌優(yōu)化云圖

圖10 電池箱上蓋優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)

根據(jù)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)和尺寸,重新建立了電池箱上蓋的有限元模型,對改進(jìn)后的上蓋重新進(jìn)行模態(tài)分析,計算結(jié)果如表5所示。

表5 上蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后結(jié)果對比

通過對上蓋進(jìn)行形貌優(yōu)化,提高了電池箱前3階的固有頻率,避開了激振源頻率;減輕了電池箱的整體質(zhì)量;電池箱的質(zhì)量由原來的6.066 kg減少至5.625 kg,質(zhì)量減輕了7.27%,達(dá)到了電池箱上蓋輕量化的目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文基于Hypermesh對電池箱上蓋進(jìn)行模態(tài)分析,求解出電池箱上蓋的各階模態(tài)頻率和振型。采用單點激振多點拾振的試驗方法,對電池箱上蓋進(jìn)行模態(tài)試驗,采用PolyMax模態(tài)參數(shù)識別法,提取電池箱上蓋模態(tài)參數(shù)。通過對仿真分析和模態(tài)試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,頻率和振型一致性較好,驗證了模型的正確性和有效性。

建立了基于柔度最小的電池箱上蓋形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,對電池箱上蓋進(jìn)行形貌優(yōu)化,得到了上蓋的形貌優(yōu)化云圖,根據(jù)云圖重新設(shè)計上蓋的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行模態(tài)分析。分析結(jié)果表明:優(yōu)化后的上蓋低階頻率提高,質(zhì)量減輕了7.27%,證明了優(yōu)化的可行性,為電池箱類零件的優(yōu)化設(shè)計提供了借鑒和參考。