某輕卡蓄電池支架性能分析與輕量化設(shè)計(jì)

李翔翼

(江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052)

0 引言

蓄電池作為輕卡的電力源頭,能夠?yàn)檐囕v啟動(dòng)提供充足的電能,是車輛非常重要的組成部分之一。輕卡蓄電池支架通過(guò)4個(gè)螺栓將蓄電池固定在車架縱梁上,以此起到固定與保護(hù)作用,使其安全運(yùn)行。蓄電池支架通過(guò)螺栓安裝在輕卡車架縱梁中段,當(dāng)車輛行駛在凹凸不平路面時(shí),底盤(pán)系統(tǒng)將承受較大的激勵(lì)載荷,從而會(huì)引起蓄電池支架產(chǎn)生局部振動(dòng),所以輕卡蓄電池支架需擁有較強(qiáng)的強(qiáng)度性能,防止其發(fā)生斷裂破壞,同時(shí)需擁有良好的模態(tài)性能,避免其發(fā)生共振,以確保蓄電池支架總成的穩(wěn)定性。

為了獲取并評(píng)估某輕卡蓄電池支架的性能,根據(jù)蓄電池支架總成的三維模型,采用有限元技術(shù)劃分網(wǎng)格,并建立連接關(guān)系,計(jì)算出其模態(tài)頻率,再基于采集的振動(dòng)加速度進(jìn)行強(qiáng)度性能仿真分析,最后進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),得到了其最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 蓄電池支架總成模態(tài)性能分析

1.1 建立網(wǎng)格模型

某輕卡蓄電池支架總成包括車架、內(nèi)板、外板、底板和蓄電池等,內(nèi)板、底板與外板之間通過(guò)焊接連接,內(nèi)板與車架通過(guò)螺栓連接,內(nèi)板和外板的厚度均為3.5 mm,底板的厚度為2.5 mm,蓄電池支架的重量為6.9 kg,蓄電池的重量為40.2 kg?；谇疤幚碥浖﨟ypermesh[1,2]抽取車架、內(nèi)板、外板、底板的中性面,刪除影響較小的圓孔和倒角,填補(bǔ)缺失面。為了保證其力學(xué)傳遞關(guān)系和仿真精度,采用3 mm的混合單元對(duì)各部件的中性面進(jìn)行網(wǎng)格離散化處理。為了消除螺栓孔周邊出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象,在螺栓孔周邊均勻布置兩層規(guī)整的四邊形單元。零部件之間的焊縫采用對(duì)齊的四邊形單元代替,螺栓采用RBE2單元代替。蓄電池支架的材料為Q235,基于各項(xiàng)同性的材料類型建立各部件的厚度屬性,以此完成該輕卡蓄電池支架總成網(wǎng)格模型,如圖1所示。其中,X、Y、Z分別為縱向、橫向、垂向。

圖1 蓄電池支架總成網(wǎng)格模型

1.2 模態(tài)性能結(jié)果與評(píng)判

模態(tài)特性是結(jié)構(gòu)的固有特性,基于模態(tài)性能分析,可以獲取其動(dòng)態(tài)特性,從而評(píng)估其性能的優(yōu)劣,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。為了獲取蓄電池支架總成的動(dòng)態(tài)特性,基于有限元模型并采用Nastran求解器[3,4]設(shè)置頻率范圍為0～100 Hz,對(duì)車架縱梁兩端施加固定約束,進(jìn)行模態(tài)頻率計(jì)算。由于該輕卡蓄電池支架總成的模態(tài)性能主要受低階頻率影響,所以計(jì)算得到除前6階剛體模態(tài)之外的前3階固有頻率及振型和振幅,如表1和圖2所示。由表1可知,蓄電池支架總成的前3階固有頻率分別為32.3 Hz、58.6 Hz和92.4 Hz。由圖2可知:蓄電池支架總成的第1階振型表征為X方向彎曲,其最大變形為5.923 mm;第2階振型表征為Y方向彎曲,其最大變形為7.753 mm;第3階振型表征為Z方向彎曲,其最大變形為6.743 mm。

表1 蓄電池支架總成前3階固有頻率及振型和振幅

圖2 蓄電池支架總成前3階模態(tài)振型

車輛行駛在凹凸不平路面時(shí)的激勵(lì)頻率通常在20 Hz附近,該輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率為26.7 Hz。由此可知,該蓄電池支架總成的前3階固有頻率與不平路面和發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率不重疊,因此能夠避免產(chǎn)生共振風(fēng)險(xiǎn),其模態(tài)性能符合實(shí)際使用要求。

2 蓄電池支架的強(qiáng)度性能分析

2.1 強(qiáng)度工況

車輛行駛在凹凸不平路面時(shí)將承受來(lái)自各個(gè)方向的力,為了獲取車架兩端的振動(dòng)激勵(lì),分別在兩端配置兩個(gè)加速度傳感器,測(cè)試車速為80 km/h?；趯?shí)測(cè)的頻域加速度譜得到車架端在X、Y、Z方向的最大振動(dòng)加速度分別為3.6g、3.9g和7.2g。因此基于蓄電池支架總成有限元模型,約束車架兩端,同時(shí)為了提高安全系數(shù),采用Abaqus仿真軟件在X、Y、Z方向分別加載4g、4g和8g的重力場(chǎng),模擬整車的制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和垂跳工況,以此對(duì)蓄電池支架強(qiáng)度性能進(jìn)行仿真分析。

2.2 強(qiáng)度性能結(jié)果與評(píng)判

仿真得到的蓄電池支架應(yīng)力云圖如圖3所示,Z方向的變形云圖如圖4所示。

圖3 蓄電池支架應(yīng)力云圖

圖4 蓄電池支架Z方向變形云圖

由圖3可知:蓄電池支架X方向的最大應(yīng)力為150.4 MPa,位于外板內(nèi)側(cè)拐角處,這是因?yàn)檩p卡在制動(dòng)時(shí)蓄電池重心會(huì)發(fā)生縱向前移,從而引起應(yīng)力集中,其強(qiáng)度安全系數(shù)為1.56,符合強(qiáng)度性能設(shè)計(jì)要求;在Y方向的最大應(yīng)力為59.56 MPa,位于外板的螺栓孔處,這是因?yàn)檩p卡在轉(zhuǎn)彎時(shí)蓄電池支架主要受彎矩,由此造成在螺栓孔處的應(yīng)力較大,其強(qiáng)度安全系數(shù)為3.94,能夠滿足實(shí)際使用要求;在Z方向的最大應(yīng)力到達(dá)了169.1 MPa,位于外板與內(nèi)板焊縫連接處,這是因?yàn)檩p卡在跳動(dòng)時(shí)蓄電池發(fā)生垂向振動(dòng),支架的外板會(huì)拉扯內(nèi)板,從而使內(nèi)外板的連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中,其強(qiáng)度安全系數(shù)為1.39,滿足強(qiáng)度特性要求。

由圖4可知:蓄電池支架的最大位移為2.38 mm,小于4 mm的目標(biāo)要求,整體變形分布均勻,同樣也滿足設(shè)計(jì)要求。

3 輕量化設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析可知,蓄電池支架的性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),具有較強(qiáng)的綜合特性,有一定的減重空間,因此將蓄電池支架的內(nèi)板、外板和底板厚度作為結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。采用Isight集成平臺(tái)[5,6]加載蓄電池支架總成的有限元模型、模態(tài)分析命令流和強(qiáng)度分析命令流,定義各設(shè)計(jì)變量,以重量最小化為目標(biāo)函數(shù),基于第二代非劣排序遺傳算法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算,得到蓄電池支架外板的最佳厚度為3.2 mm,內(nèi)板的最佳厚度為3.0 mm,底板的最佳厚度為2.0 mm。優(yōu)化之后蓄電池支架的總重量降低至5.8 kg,減輕了15.9%,輕量化效果比較明顯。優(yōu)化后蓄電池支架總成第1階模態(tài)振型和支架Z方向應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。

由圖5可知:優(yōu)化后蓄電池支架總成的第1階模態(tài)振型仍然為X方向彎曲,其頻率為30.1 Hz。

由圖6可知:優(yōu)化后蓄電池支架在Z方向的最大應(yīng)力達(dá)到了212.1 MPa,小于材料屈服極限值(235 MPa),其強(qiáng)度安全系數(shù)為1.1,仍然能夠滿足強(qiáng)度特性要求。

4 結(jié)論

通過(guò)采用有限元前處理軟件創(chuàng)建蓄電池支架總成網(wǎng)格模型,添加相應(yīng)的約束,對(duì)其進(jìn)行模態(tài)頻率計(jì)算,獲取其第1階頻率為32.3 Hz,與激勵(lì)頻率不重疊,能夠避免產(chǎn)生共振?；诓杉恼駝?dòng)激勵(lì)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析,其應(yīng)力峰值為169.1 MPa,小于材料屈服值,強(qiáng)度安全系數(shù)為1.39,符合強(qiáng)度要求。通過(guò)集成優(yōu)化得到了蓄電池支架的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),并且其重量減小15.9%,輕量化效果顯著。