郭 亮，王 飛，陳曉楠，羅發(fā)強

（1.山東省電力公司，山東 濟南 250000；2.許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

手動換電設(shè)備作為自動換電設(shè)備的重要備份，在電池的日常保養(yǎng)維護以及電池箱起火等緊急情況下發(fā)揮著不可替代的作用。手動換電設(shè)備夾具（后文簡稱夾具）作為在換電過程中承載固定電池箱的主要部件，研究其在特定工況下的應(yīng)力和位移分布并優(yōu)化剛度和強度薄弱部位十分重要。國內(nèi)外針對電動汽車電池快速更換技術(shù)的研究主要集中在快換電池箱箱體、鎖止機構(gòu)和連接器上，對換電設(shè)備的結(jié)構(gòu)仿真分析還較少。本文通過對夾具進行仿真分析，得出夾具在特定工況下的受力分布與模態(tài)特性參數(shù)，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 有限元分析模型的建立

1.1 三維幾何模型的簡化

夾具用于在換電的過程中承載和固定電池箱，它由整體框架、鎖止機構(gòu)盒和一些導(dǎo)向定位組件組成，如圖1 所示。在Pro／E中對原有的設(shè)計模型進行初步的簡化，去除一些非承力部件和一些小尺寸特征，得到簡化后的模型，如圖2 所示。

1.2 基于Hypermesh的夾具前處理

Hypermesh是一個高效的有限元前后處理器，能夠建立各種復(fù)雜模型的有限元模型，與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能。將簡化后的幾何模型以Parasolid格式導(dǎo)入Hypermesh后，抽取各個部件的中面，并進一步進行幾何清理，對各個部件進行必要的切分以改善模型的拓撲結(jié)構(gòu)。切分完成后，進行分塊網(wǎng)格劃分，得到176 568個四邊形單元和181 180個單元節(jié)點，夾具的有限元模型如圖3 所示。然后對網(wǎng)格進行連續(xù)性檢查和單元質(zhì)量檢查，檢查結(jié)果如表1所示。

圖1 夾具的結(jié)構(gòu)組成

圖2 簡化后的夾具模型

圖3 夾具的有限元模型

不同零部件之間的網(wǎng)格是不連續(xù)的，因此需要模擬焊接、膠接或者螺栓連接等連接方式。ANSYS提供了兩種解決不同類型單元自由度不連續(xù)問題的方法，即節(jié)點耦合法與MPC接觸裝配法［1］。在此次分析中，使用節(jié)點耦合法來模擬部件之間的焊接，即在焊接位置使用Rbe3單元將兩個部件的單元節(jié)點耦合起來［2］。

根據(jù)后續(xù)計算分析的需要，選擇與ANSYS相對應(yīng)的Shell181殼單元、Beam188單元、Mass21單元，并創(chuàng)建Q235鋼的材料屬性，設(shè)置密度為7.98×10－9t／mm3，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.3。在Component Manager中將單元類型、材料屬性、截面屬性賦給相應(yīng)的單元［3］。

2 結(jié)構(gòu)強度分析

2.1 邊界條件的施加

Hypermesh做前處理的目標是創(chuàng)建一個可以直接提交求解器求解的文件，因此此次分析邊界條件的施加也將在Hypermesh里進行。夾具通過夾具上的4個螺栓孔與換電設(shè)備相連接，因此選用Beam188單元、Mass21單元和Rbe3單元來模擬螺栓連接，約束Beam188單元的3個平動自由度和沿x，y方向的轉(zhuǎn)動自由度，如圖4 所示。

參考換電設(shè)備企業(yè)標準選取結(jié)構(gòu)強度分析的工況：電池箱對夾具的作用力為沿－y方向7 644N（3g過載）；電池箱對鎖止機構(gòu)的作用力為沿－x方向2 548N（1g過載）。電池箱的質(zhì)量大約為260kg，電池箱對夾具的作用以分布力的方式加載在中間梁和鎖止機構(gòu)盒的相關(guān)節(jié)點上，分布方式如圖5 所示。將相應(yīng)的cdb文件用Read input from功能讀入ANSYS，并在ANSYS里添加必要的求解控制選項，完成求解，得到的夾具的變形和應(yīng)力云圖如圖6 和圖7 所示。

圖4 約束的施加

圖5 邊界條件的施加

2.2 結(jié)構(gòu)強度分析的結(jié)論

由圖6 、圖7 可以看出，夾具的最大變形出現(xiàn)在夾具兩側(cè)的中部，最大變形量為0.690mm，這反映出夾具在z方向上的剛度相對較差。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鎖止機構(gòu)盒處，最大應(yīng)力為181.2MPa，此外中間梁加強筋、框架縱梁的應(yīng)力也較大，但均未超出材料的屈服極限235MPa，因此滿足設(shè)計要求。

圖6 夾具的變形云圖

3 夾具的模態(tài)分析

一個N自由度振動系統(tǒng)的運動微分方程可以表示為：

其中：｛δ｝，｛｝和｛｝分別為系統(tǒng)的位移矩陣、速度矩陣和加速度矩陣；｛F（t）｝為激振力矩陣；［M］，［K］和［C］分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣［4，5］。

圖7 夾具的應(yīng)力云圖

由于模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)在自由振動下的振動特性且系統(tǒng)阻尼影響較小可以忽略不計，故將式（1）簡化為：

彈性體自由振動的振型可轉(zhuǎn)化成為一系列簡諧振動的組合，為得到自由振動的各階固有頻率和各階的振型，設(shè)其解為：

將式（3）代入到式（2）中得到：

求解式（2）和式（4）的過程，就是對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析的過程，通過求解這兩個方程，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率ω和固有振型。

ANSYS提供了7種模態(tài)提取方法，本文利用分塊蘭索斯法（Block Lanczos）計算了夾具的固有頻率和振型，夾具的前6階固有頻率如表2所示，各階模態(tài)的振型圖如圖8 ～圖1 3所示。

表2 夾具的各階固有頻率

結(jié)合表2和圖8 ～圖1 3可知，夾具前6階模態(tài)的振型主要表現(xiàn)為夾具臺面的局部振動與夾具整體框架繞x軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)。這再一次反映了夾具整體框架在z方向上的剛度相對較差，同時，夾具臺面中部的剛度也不理想，設(shè)計時應(yīng)注意加強這兩處的剛度。

4 結(jié)論

（1）在企業(yè)標準規(guī)定的工況下，夾具的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鎖止機構(gòu)盒處，最大應(yīng)力為181.2MPa，此外中間梁加強筋、框架縱梁的應(yīng)力也較大，但均未超出材料的屈服極限235MPa，因此滿足設(shè)計要求。

（2）由最大變形出現(xiàn)的部位以及后來的模態(tài)分析可以看出，夾具在z方向上的剛度相對較差，因此，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中可以適當增加框架橫梁的數(shù)量或壁厚，以提高整體剛度。

圖8 第1階模態(tài)振型

（3）由模態(tài)分析可以看出，夾具臺面中部的局部剛度較差，因此，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中可以適當布置一些加強筋，以提高臺面中部的局部剛度。

圖9 第2階模態(tài)振型

圖1 0 第3階模態(tài)振型

圖1 1 第4階模態(tài)振型

圖1 2 第5階模態(tài)振型

圖1 3 第6階模態(tài)振型

［1］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］余傳文.重型載貨汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元仿真及優(yōu)化［D］.長春：吉林大學(xué)，2005：30-33.

［3］劉本剛，尹明德.某型塔式起重機轉(zhuǎn)臺的有限元分析［J］.機械工程與自動化，2012（2）：28-29.

［4］儲毅，劉華鋒，趙明宇，等.基于FEM的電動汽車快換電池箱模態(tài)分析與優(yōu)化［J］.制造業(yè)自動化，2012（12）：105-106.

［5］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.