何慶稀,蔡少波

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州325035)

某MPV汽車蓄電池支架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

何慶稀,蔡少波

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州325035)

摘要：以某型MPV汽車蓄電池支架為研究對(duì)象，在ANSA中建立CAE分析模型.基于該模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比模態(tài)仿真分析結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，判斷主要激勵(lì)源，確定優(yōu)化思路；在4種工況下，對(duì)蓄電池支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果判斷危險(xiǎn)部位，為改進(jìn)設(shè)計(jì)確定方向，提出合理改進(jìn)方案；對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析.結(jié)果表明：改型后支架能夠滿足結(jié)構(gòu)性能要求，為后續(xù)進(jìn)行模塊化產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)時(shí)，提供了快速優(yōu)化的思路及方法，提高了效率，改善了材料利用率，降低了生產(chǎn)成本.

關(guān)鍵詞：蓄電池支架；模態(tài)；強(qiáng)度分析；結(jié)構(gòu)改型

家用MPV逐漸在市場(chǎng)中嶄露頭角[1]，為了盡快搶占市場(chǎng)，一些企業(yè)在原有轎車或者SUV基礎(chǔ)上進(jìn)行改型設(shè)計(jì)[2-3]推出MPV車型.由于改型中大部分結(jié)構(gòu)都是沿用原有設(shè)計(jì)，而MPV車型使用過程中的應(yīng)力情況卻與其他車型各異，如由SUV改型后的MPV，其車身拉長(zhǎng)、寬度增加和尾部空間加大，在質(zhì)量、軸荷分配和空氣動(dòng)力等方面均有較大變化，改型設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)各工況下應(yīng)力較大的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化，以保證其性能滿足使用要求.

某型MPV車型在專業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行可靠性道路試驗(yàn)中，出現(xiàn)蓄電池支架開裂的現(xiàn)象.為了初步確定激勵(lì)源及快速解決該問題，決定首先進(jìn)行支架模態(tài)仿真分析，以判斷支架基頻和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率是否相近.確定結(jié)構(gòu)受載狀況，進(jìn)行蓄電池支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能分析，重點(diǎn)關(guān)注支架結(jié)構(gòu)開裂處在各工況下的應(yīng)力分布，確定支架開裂原因，提出改進(jìn)方案，在不變更材料的前提下，滿足使用性能要求，同時(shí)避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)的盲目性.

1蓄電池支架模態(tài)仿真分析

1.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，建立有限元模型[4-5]，其結(jié)構(gòu)的有限元分析方程為

(1)

由式(1)可以得到相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率、振型等固有特征，還可查看其應(yīng)力、應(yīng)變等響應(yīng)信息.通過分析獲得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率能夠?yàn)檎_判斷系統(tǒng)所受激勵(lì)源提供參照，也為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供正確方向.

1.2模態(tài)分析有限元模型的建立

在ANSA中建立蓄電池支架有限元模型[6-7]，如圖1所示.截取蓄電池支架4周數(shù)模(400mm×400mm×400mm)范圍，含車架、蓄電池、螺栓等)，合理簡(jiǎn)化和幾何清理后，建立蓄電池支架模態(tài)的有限元分析模型.其中，鈑金件主要采用四邊形殼離散，蓄電池采用SOLID單元模擬，螺栓采用RBE2單元模擬，點(diǎn)焊采用NastranCWELD單元模擬，空濾器重2.5kg，TCU及其支架為1.5kg，集中質(zhì)量用CONM2單元模擬[8-9].模態(tài)分析有限元模型共計(jì)77 639個(gè)節(jié)點(diǎn)，73 689個(gè)單元.

圖1　蓄電池支架模態(tài)分析有限元模型Fig.1　Finite element model for modal analysis of battery support

1.3模態(tài)仿真分析

由Nastran軟件仿真分析后得出蓄電池支架前六階模態(tài)，如表1所示.其一階模態(tài)振型圖如圖2所示.

表1　蓄電池支架模態(tài)仿真結(jié)果

圖2　蓄電池支架一階模態(tài)Fig.2　First order mode of battery support

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率計(jì)算式為

(2)

其中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/min；z為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)；m為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)[10].

本蓄電池支架用于配備4缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的MPV車型，其怠速轉(zhuǎn)速為(750±30) r/min，計(jì)算得該發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率范圍為(25±3) Hz.

對(duì)照表2分析可知：蓄電池支架前6階頻率均與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率無(wú)明顯重疊，不會(huì)產(chǎn)生共振.因此，造成蓄電池支架出現(xiàn)開裂、變形等不良現(xiàn)象的主導(dǎo)激勵(lì)是路面激勵(lì)，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì).

2蓄電池支架強(qiáng)度分析

2.1強(qiáng)度分析有限元模型的建立

在ANSA中建立蓄電池支架有限元模型，如圖3所示.截取蓄電池支架4周數(shù)模(400 mm×400 mm×400 mm范圍，同模態(tài)分析模型)，合理簡(jiǎn)化和幾何清理后，建立蓄電池支架強(qiáng)度有限元分析模型.其中，鈑金件主要采用四邊形殼離散，蓄電池采用SOLID單元模擬，螺栓采用MPC單元模擬，點(diǎn)焊采用SOLID NUGGET單元模擬，空濾器重2.5 kg，TCU及其支架為1.5 kg，集中質(zhì)量用MASS單元模擬[11-12].強(qiáng)度分析有限元模型共計(jì)77 877個(gè)節(jié)點(diǎn)，73 707個(gè)單元.

圖3　蓄電池支架強(qiáng)度分析有限元模型Fig.3　Finite element model for strength analysis of battery support

模擬分析車輛行駛過程中制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和垂直沖擊等3個(gè)工況及1個(gè)組合工況，在模型截面處約束全部自由度，邊界條件如表2所示.

表2　蓄電池支架強(qiáng)度分析邊界工況

2.2蓄電池支架開裂處強(qiáng)度分析結(jié)果

蓄電池支架開裂處所用B210P1材料，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度為260 MPa，抗拉強(qiáng)度390 MPa.

各工況下蓄電池支架的強(qiáng)度性能指標(biāo)如表3所示.

表3各工況下蓄電池支架強(qiáng)度性能指標(biāo)

Table 3The strength performance indexes of the battery support under different conditions

工況評(píng)價(jià)系數(shù)許用應(yīng)力/MPa制動(dòng)2.0130轉(zhuǎn)向1.5173垂直沖擊1.5173組合1.0260

在Abaqus軟件中，對(duì)蓄電池支架強(qiáng)度有限元模型進(jìn)行各工況仿真分析，結(jié)果如表4所示.

表4蓄電池支架在各工況下的最大應(yīng)力

Table 4Maximum stress of storage battery support under different working conditions

MPa

結(jié)果顯示：在垂直沖擊和組合工況下，支架所承受最大應(yīng)力均超設(shè)計(jì)上限，不能滿足性能要求.特別是組合工況下，支架所承受最大應(yīng)力(369.8 MPa)遠(yuǎn)超材料許用應(yīng)力最大值(260 MPa)，該支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo).

各工況下蓄電池支架仿真應(yīng)力分布見圖4.

圖4　各工況下支架最大應(yīng)力云圖Fig.4　Maximum stress contour of the support under different conditions

由圖4中各工況下的應(yīng)力云圖顯示：蓄電池支架在組合工況下應(yīng)力最大；制動(dòng)工況下，支架應(yīng)力最大點(diǎn)在上部連接處，轉(zhuǎn)向、垂直沖擊及組合工況下的應(yīng)力最大點(diǎn)均在下部連接處；支架實(shí)際承受應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力原因主要是該連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠，受激勵(lì)產(chǎn)生剛度突變、應(yīng)力集中.

3蓄電池連接支架結(jié)構(gòu)與分析

3.1設(shè)計(jì)優(yōu)化方案分析

為提高該支架在連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在不改變材料和料厚的前提下，決定調(diào)整支架的結(jié)構(gòu)，并提出2種方案，如圖5所示.

圖5　連接支架改進(jìn)方案Fig.5　Connection bracket improvement plans

方案1圖5(b)：在原方案圖5(a)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)安裝點(diǎn)，同時(shí)加大連接面，加大翻邊，調(diào)整翻邊為階梯面.

方案2圖5(c)：在方案1圖5(b)的基礎(chǔ)上將翻邊階梯面的梯度加大，呈凹型.

改進(jìn)后蓄電池支架在各工況下仿真分析結(jié)果如表5所示.

表5改進(jìn)后蓄電池支架在各工況下的最大應(yīng)力

Table 5The maximum stress of the battery support under different conditions

MPa

結(jié)果顯示：2個(gè)方案均在一定程度提高了支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，其中組合工況下，支架最大應(yīng)力減小量達(dá)148.5 MPa.按方案2改進(jìn)后，支架在各工況下的應(yīng)力水平均滿足材料的許用應(yīng)力，符合性能要求.

改進(jìn)后方案1和方案2蓄電池支架的仿真(垂直沖擊和組合工況下)應(yīng)力分布如圖6，7所示.

由圖6，7可知：改進(jìn)后方案1和方案2的最大應(yīng)力都比原方案降低很多，但只有方案2的應(yīng)力水平均滿足材料的許用應(yīng)力；方案2在各工況下對(duì)支架應(yīng)力集中部位的應(yīng)力水平降低效果非常明顯，組合工況的最高應(yīng)力221.260 MPa，滿足材料使用要求.

圖6　各工況下支架最大應(yīng)力云圖(方案1)Fig.6　Maximum stress cloud of support under different conditions (Plan 1)

圖7　各工況下支架最大應(yīng)力云圖(方案2)Fig.7　Maximum stress cloud of support under different conditions (Plan 2)

改進(jìn)后的分析的結(jié)果表明：在原支架上增加安裝點(diǎn)、加寬翻邊以及階梯形狀的翻邊對(duì)解決剛度突變、應(yīng)力集中現(xiàn)象有顯著效果.

3.2優(yōu)化方案裝車驗(yàn)證

按設(shè)計(jì)方案2結(jié)構(gòu)制作實(shí)物，并裝配于第二階段試驗(yàn)車，如圖8所示.

圖8　改進(jìn)實(shí)物裝配于試驗(yàn)車Fig.8　Improved physical assembly in test vehicle

隨車進(jìn)行綜合耐久性試驗(yàn)，并跟蹤記錄該工件的使用情況.基本試驗(yàn)條件如下：總試驗(yàn)里程為35 000 km，單次循環(huán)時(shí)長(zhǎng)為1.5 h，循環(huán)總數(shù)為272次(空載)+272次(滿載)，平均車速為49 km/h，最高時(shí)速為80 km/h，試驗(yàn)周期80 d.將電瓶支架列入試驗(yàn)追蹤項(xiàng)，按規(guī)范在試驗(yàn)場(chǎng)不同路面、不同工況進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，改進(jìn)后的支架零件并未發(fā)生變形和開裂現(xiàn)象，滿足車輛實(shí)際應(yīng)用中的要求.

4結(jié)論

車企進(jìn)行改型設(shè)計(jì)后，其蓄電池支架在試驗(yàn)中不能滿足使用要求.通過對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)仿真分析，并與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率進(jìn)行比對(duì)，判斷主要激勵(lì)源，確定優(yōu)化思路.通過對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行四種工況下的有限元強(qiáng)度分析，對(duì)比分析結(jié)果，確定優(yōu)化部位.提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化方案，仿真結(jié)果顯示改進(jìn)結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品性能要求.將改型零件實(shí)物安裝于第二階段試驗(yàn)車，進(jìn)行綜合耐久試驗(yàn)，跟蹤驗(yàn)證結(jié)果顯示零件滿足車輛實(shí)際應(yīng)用中的要求，有效縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及生產(chǎn)成本.

參考文獻(xiàn)：

[1]楊再舜.MPV已迎來(lái)剛性需求爆發(fā)增長(zhǎng)期[J].汽車與配件,2006(7)：44-46.

[2]呂一博,蘇敬勤.后發(fā)國(guó)家汽車制造企業(yè)技術(shù)能力成長(zhǎng)路徑研究[J].科學(xué)學(xué)研究,2007,25(5)：880-886.

[3]王東升,李宏志,建光.我國(guó)狹義乘用車區(qū)域差異性分析及市場(chǎng)策略[J].汽車工程師,2016(1)：13-16.

[4]周海亭,吳堅(jiān)華,姚利鋒.動(dòng)態(tài)縮聚法在齒輪箱船體基座動(dòng)態(tài)響應(yīng)中應(yīng)用[J].噪聲與振動(dòng)控制,2002,22(6)：6-12.

[5]譚繼錦,張代勝.汽車結(jié)構(gòu)有限元分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2009：12-22.

[6]夏航.顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)與振動(dòng)特性研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(1)：24-29.

[7]陳志楊,韓春雷.面向CAE的網(wǎng)格模型特征簡(jiǎn)化與重建[J]．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(5)：188-191.

[8]楊俊杰，蔣松梁.帶有相互垂直樓梯的框架模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,42(6)：660-664.

[9]李小彭,趙志杰,聶慧凡,等.某型數(shù)控車床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,32(7)：988-991.

[10]周海超,左言言,鮑林曉.四缸柴油機(jī)曲軸的自由模態(tài)分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2010,30(6)：63-66.

[11]袁偉斌，徐潔，葉呈敏.純彎下簡(jiǎn)支角鋼梁靜態(tài)和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性分析[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,41(6):677-681.

[12]周水清,何天明,鄒伯宏.汽車駕駛室懸置系統(tǒng)振動(dòng)仿真分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(1)：131-134.

(責(zé)任編輯：劉巖)

Structure analysis and design improvementof a MPV storage battery

HE Qingxi, CAI Shaobo

(Department of Mechanical Engineering, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou 325035, China)

Abstract:Based on battery bracket of a certain type MPV, the CAE analysis model was built in the platform of ANSA. The modal analysis was carried out and the excitation source was judged from the results comparison between the simulation analysis and the engine idle speed, the optimal solution was determined. Under the four different working conditions, the battery bracket strength was analyzed, the weak positions was located through the stress and strain analysis results, which guide the design improvement direction and propose a reasonable improvement solution. Then the strength of the improved bracket structure was analyzed again. The results show that the optimized bracket can meet the structure design requirement. Thus aquick optimization method was provided for the subsequent modularized product design revision, which not only improve the efficiency and the material utilization percentage but also reduce the production cost.

Keywords:battery bracket; modal; strength analysis; structure revision

收稿日期：2016-04-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃重大項(xiàng)目(2011AA04A101)；浙江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(jg2013274)

作者簡(jiǎn)介：何慶稀(1972—)，男，浙江金華人，副教授，主要從事汽摩零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、CAD/CAM及工業(yè)機(jī)器人教學(xué)和研發(fā)設(shè)計(jì)工作，E-mail: 149455355@qq.com.

中圖分類號(hào)：U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)04-0375-04