趙久志，夏順禮，劉濤，張寶鑫

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

基于HyperWorks的某動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

趙久志，夏順禮，劉濤，張寶鑫

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

在某電動(dòng)車(chē)基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)一種動(dòng)力電池總成的殼體結(jié)構(gòu)。在考慮到動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)輕量化的前提下，使用HyperWorks軟件對(duì)動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分、ACM焊點(diǎn)連接模擬、仿真分析，通過(guò)仿真分析的結(jié)果對(duì)殼體結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。最后再通過(guò)動(dòng)力電池總成的振動(dòng)試驗(yàn)證明，優(yōu)化后的殼體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足整車(chē)強(qiáng)度要求，大大提高了設(shè)計(jì)效率，進(jìn)而節(jié)約了產(chǎn)品的研發(fā)成本。

動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)；HyperWorks；ACM焊點(diǎn)

CLC NO.:U469.72+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-23-04

引言

隨著石油資源的日益緊缺，新能源汽車(chē)的發(fā)展變得愈加重要，在這種背景下，全球許多汽車(chē)企業(yè)都投入了較大精力來(lái)開(kāi)展新能源汽車(chē)的技術(shù)研發(fā)，動(dòng)力電池做為新能源汽車(chē)的核心零部件，其技術(shù)水平將直接決定著的新能源汽車(chē)的發(fā)展方向。根據(jù)新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目要求，動(dòng)力電池總成不僅應(yīng)能提供車(chē)輛正常行駛的動(dòng)力，還應(yīng)確保其在全壽命周期的可靠性、耐久性和安全性，因此為確保動(dòng)力電池總成的可靠性、耐久性和安全性，首先必需要確保承載動(dòng)力電池總成的殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足整車(chē)的開(kāi)發(fā)需求。本文就某純電動(dòng)轎車(chē)動(dòng)力電池總成的殼體結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)了具體的分析和討論，以下是具體的說(shuō)明。

1、動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)在保證占用整車(chē)空間不大的基礎(chǔ)上，合理地將動(dòng)力電池總成分布在整車(chē)的底部和座椅的下方，該種動(dòng)力電池總成的布置方式使整車(chē)載荷的分布更加合理，有效的保證了整車(chē)制動(dòng)性、轉(zhuǎn)向性能以及操穩(wěn)性。

圖1 動(dòng)力電池總成模型示意圖Fig.1 A model for the power battery assembly

圖2 動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.2 Power battery assembly model for the shell structure

動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)是由內(nèi)膽、內(nèi)橫梁和外橫梁三大部分焊接而成，其中內(nèi)膽的材料為DC04，由沖壓工藝加工而成，而內(nèi)橫梁和外橫梁的材料均為B340，同樣采用沖壓工藝加工而成。裝配時(shí)，先將上述左側(cè)電池模組、右側(cè)電池模組和后部電池模組分別通過(guò)螺栓連接的方式固定在殼體結(jié)構(gòu)上組裝成動(dòng)力電池總成，再將動(dòng)力電池總成同樣通過(guò)螺栓連接的方式固定在車(chē)身上。下面是對(duì)動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體說(shuō)明[2]。

2、 動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 流程框圖（見(jiàn)圖3）

圖3 流程框圖Fig.3 The process diagram

2.2 動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

隨著有限元分析技術(shù)能力的提高，各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析軟件為汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，極大地方便了汽車(chē)的設(shè)計(jì)。動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)作為汽車(chē)最重要的組成部分之一，直接影響汽車(chē)的整車(chē)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。點(diǎn)焊是動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)常用的一種連接方式，對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析必須建立相應(yīng)的點(diǎn)焊模型。對(duì)于由幾百個(gè)焊點(diǎn)連接而成的動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，焊點(diǎn)的有限元建模技術(shù)是保證計(jì)算結(jié)果具有較高精度的關(guān)鍵技術(shù)。由于動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)具有焊點(diǎn)數(shù)目多、空間曲面復(fù)雜及幾何特征多等特點(diǎn)，要建立精確的動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)模型極為困難。在建模時(shí)，一般都會(huì)對(duì)動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，目前常用的焊點(diǎn)建模方法有：節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間以CBAR單元直接連接來(lái)模擬焊接關(guān)系，以及用實(shí)現(xiàn)單元面對(duì)面連接的ACM、CWELD單元來(lái)模擬焊點(diǎn)的連接[3][4][5]。

本文基于HyperWorks有限元前處理比較常用的ACM焊點(diǎn)模擬方法來(lái)研究探討不同焊點(diǎn)布置對(duì)動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，即通過(guò)優(yōu)化焊點(diǎn)位置的方式來(lái)解決動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，從而為動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)解決方向。

動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)分析模型如圖4所示，動(dòng)力電池總成布置在整車(chē)的底部和座椅的下方，具體重量分布如下：動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)重量46.5KG、后部電池模組的重量為96Kg、左側(cè)電池模組和右側(cè)電池模組的重量均為38Kg。表1為對(duì)分析工況及邊界條件的具體說(shuō)明。

表1 分析工況Table 1 Analysis of working condition

接下來(lái)考察垂直沖擊工況的應(yīng)力分布情況，先通過(guò)HyperMesh對(duì)導(dǎo)入的數(shù)模以殼單元的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置Elem Size=3，Mesh Type為Mixed，網(wǎng)格劃分方式為手動(dòng)(具體操作為抽中面、幾何清理等)，網(wǎng)格處理好后再定義Com-ponents的材料屬性steel，彈性模量為2.1e+05、泊松比為0.3、密度為7.89e-09等，再導(dǎo)入殼體結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)數(shù)模，生成ACM焊接連接模型，具體設(shè)置參數(shù)如下：Type選acm，Num layers 選total2，F(xiàn)E Configs為Custom，F(xiàn)E Type為Optistruct 70ACM，接下來(lái)再進(jìn)行載荷施加、邊界條件設(shè)定，最后運(yùn)行OptiStruct并在HyperView中觀察動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)在表1中垂直沖擊工況下的應(yīng)力分析結(jié)果[1]。

圖5 內(nèi)膽應(yīng)力云圖Fig.5 Inner stress nephogram

圖6 內(nèi)橫梁應(yīng)力云圖Fig.6 The beam stress nephogram

圖7 外橫梁應(yīng)力云圖Fig.7 Outside the beam stress nephogram

從上圖5內(nèi)膽的應(yīng)力云圖中可以看出模型的應(yīng)力最大值達(dá)到366.29Mpa；從上圖6內(nèi)橫梁的應(yīng)力云圖中可以看出模型的應(yīng)力最大值達(dá)到201.67Mpa；從上圖7從外橫梁的應(yīng)力云圖中可以看出模型的應(yīng)力最大值達(dá)到271.93Mpa。

將以上圖5至圖7的分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示，單位Mpa。

從表2中可以看出動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)膽在垂直沖擊工況的實(shí)際安全系數(shù)低于目標(biāo)安全系數(shù)，不滿(mǎn)足整車(chē)的強(qiáng)度要求，經(jīng)分析該問(wèn)題是由于2個(gè)焊點(diǎn)與凹槽位置太近造成的?；谠搯?wèn)題，在滿(mǎn)足整車(chē)給定的動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)的總重量不大于46.5kg的前提條件下，從殼體結(jié)構(gòu)的焊接工藝上進(jìn)行優(yōu)化，決定將該2個(gè)焊點(diǎn)移至設(shè)計(jì)上可允許的距凹槽位置的最大位移處。

表2 優(yōu)化前分析結(jié)果匯總Table 2 The results of the analysis summary before optimization

圖8 內(nèi)膽焊點(diǎn)優(yōu)化前應(yīng)力云圖Fig.8 Bladder solder joint stress nephogram before optimization

圖9 內(nèi)膽焊點(diǎn)優(yōu)化后應(yīng)力云圖Fig.9 Bladder solder joint stress nephogram after optimization

從上圖8和圖9內(nèi)膽的應(yīng)力云圖中可以看出，優(yōu)化2個(gè)焊點(diǎn)的位移后，內(nèi)膽應(yīng)力的最大值已降至305Mpa，該應(yīng)力值完全滿(mǎn)足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，具體結(jié)果如表3中所示。

表3 優(yōu)化后分析結(jié)果匯總Table3 the optimized analysis results summary

圖10 進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的動(dòng)力電池總成Fig.10 For vibration test of power battery assembly

圖10為在振動(dòng)臺(tái)架上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的動(dòng)力電池總成，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證焊點(diǎn)位置優(yōu)化后的動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)完全滿(mǎn)足整車(chē)的強(qiáng)度要求。

3、結(jié)束語(yǔ)

本文就如何利用HyperWorks軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析展開(kāi)了具體的論述：即先用HyperWorks軟件的前處理工具HyperMesh對(duì)動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分、ACM焊點(diǎn)連接模擬，再用HyperWorks軟件的后處理工具進(jìn)行求解、分析，接著通過(guò)HyperWorks的強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)動(dòng)力電池總成殼體結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)布置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，最后再通過(guò)動(dòng)力電池總成的振動(dòng)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。總之，該種借助于仿真分析軟件的正向開(kāi)發(fā)技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了非常有價(jià)值的理論分析依據(jù)，進(jìn)而提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

[1] 劉濤.基于HyperWorks的某動(dòng)力電池總成固定支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2016(05)：78-81.

[2] 李成.CATIA V5從入門(mén)到精通[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[3] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2007.

[4] 李楚琳,張勝蘭,馮櫻,等.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[5] 夏湯忠,劉文華,陸志成,等..ACM焊點(diǎn)模型對(duì)轎車(chē)車(chē)身整體一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響分析[J].汽車(chē)科技,2013(05):46-50.

A power battery assembly based on HyperWorks shell structure optimization techniques

Zhao Jiuzhi, Xia Shunli, Liu Tao, Zhan Baoxin
（Technical center, Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

Based on an electric design of a power battery assembly shell structure. In considering the power battery assembly shell structure under the premise of lightweight, use HyperWorks software for power battery assembly model of shell structure meshing, ACM solder connection simulation and the simulation analysis, the simulation analysis results of the solder joint position of shell structure is optimized. Finally, based on the vibration of the power battery assembly test proves that the optimized shell structure meeting the strength requirement, improve the design efficiency greatly, thus saving the product research and development costs.

Power battery assembly shell structure; HyperWorks; ACM solder joints

U469.72+2

A

1671-7988(2016)07-23-04

趙久志，就職于安徽江淮汽車(chē)技術(shù)中心新能源汽車(chē)研究院電池系統(tǒng)部。主要從事電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.008