邱星，黃暉，賈慧芳

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術中心，江西 南昌 330000；2.江西省乘用車結構設計工程研究中心；江西 南昌 330000；3.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 330000）

引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，目前汽車數(shù)量也隨之增長，傳統(tǒng)汽車耗費大量的石油資源，已經(jīng)造成了嚴重的環(huán)境污染問題[1]。近些年來電動汽車技術迅猛進步，已然成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的趨勢。電池包支架作為純電動車上重要的存儲能源關鍵零部件，其結構強度性能直接影響電動車的安全性和可靠性。電池包支架在不平路面行駛過程中會受到多個方向的扭力，容易產(chǎn)生疲勞斷裂風險，因此在設計電池包支架時，應當校核其強度性能。現(xiàn)采用有限元技術對某純電動輕卡的電池包支架進行強度性能分析，對于應力集中的區(qū)域，提出對優(yōu)化改進方案，使其達到強度設計要求，降低其斷裂風險系數(shù)。

1 有限元分析原理

有限元分析的基本原理是將一個連續(xù)的求解區(qū)域離散化為一組有限、并按一定方式相互聯(lián)結在一起的單元集合體，在單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來分片地描述求解域內(nèi)的場函數(shù)。整體結構平衡方程通過力學平衡條件與加載邊界條件將每個單元進行重新整合組成，以此來表示整體結構力和位移的關系：

式中：K為剛度矩陣，f為載荷列陣，q為節(jié)點的位移列陣。

式中：fr為體力轉(zhuǎn)移，fm為表面力轉(zhuǎn)移，fv為集中力轉(zhuǎn)移。

2 電池包支架有限元模型

基于Hypermesh[2,3]對電池包支架和車架進行幾何清理，采用shell單元對它們進行網(wǎng)格劃分，車架縱梁與橫梁、電池包與縱梁、電池包支架相連部件的螺栓采用RBE2連接處理，螺栓孔處采用兩層washer處理，將電池包的質(zhì)量通過RBE3連接在電池包支架上，電池包A、B和C的質(zhì)量分別為265Kg、195Kg和195Kg。以此建立電池包支架有限元分析模型如圖1所示，其總單元數(shù)為160983，總節(jié)點數(shù)為197842。電池包支支架為Q235，其彈性模量為2.1E+5MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9Ton/mm3，屈服強度為235MPa，抗拉強度為375MPa。

圖1 電池包支架有限元模型

3 強度分析

約束前后板簧支座的所有自由度，其主要考核工況分為三種，工況一：對電池包支架施加X方向0.5g加速度同時-Z方向1.0g，工況二：對電池包支架施加Y方向0.4g加速度同時-Z方向1.0g，工況三：對電池包支架施加-Z方向3.0g加速度，以此基于Nastran軟件[4,5]對該電池包支架進行強度分析。如圖2所示為電池包支架在工況一的應力云圖，由圖2可知，電池包支架的最大應力為 99.9MPa，低于其材料屈服強度，位于支架底部第一根橫梁處。如圖3所示為電池包支架在工況二的應力云圖，由圖3可知，電池包支架的最大應力為80.9MPa，小于其材料屈服強度，位于支架頂部縱梁處。如圖4所示為電池包支架在工況三的應力云圖，由圖4可知，電池包支架的最大應力為256.0MPa，超過其材料屈服強度，也位于支架頂部縱梁處，存在疲勞強度風險，路試時可能發(fā)生斷裂的可能，因此需要對其進行改進。

圖2 電池包支架工況一的應力云圖

圖3 電池包支架工況二的應力云圖

圖4 電池包支架工況三的應力云圖

4 改進方案

為了降低支電池包支架上端橫梁處的應力集中，在右前、后支架的兩根橫梁支架分別增加兩根縱梁，通過焊接將其連接在一起，如圖5所示。

圖5 電池包支架的改進方案

圖6 電池包支架改進方案工況一的應力云圖

圖7 電池包支架改進方案工況二的應力云圖

圖8 電池包支架改進方案工況三的應力云圖

采用同樣的工況對改進方案進行強度分析，如圖6所示是電池包支架改進方案在工況一時的應力云圖，由圖6可知，電池包支架在工況一的最大應力為91.0MPa，較改進之前降低了8.9%。如圖7所示是電池包支架改進方案在工況二時的應力云圖，由圖7可知，在工況二的最大應力為75.8MPa，較改進之前降低了6.3%。如圖8所示是電池包支架改進方案在工況三時的應力云圖，由圖8可知，電池包支架改進方案的最大應力為218.8MPa，較改進之前降低了14.5%，并且在其材料許用應力范圍之內(nèi)，能夠滿足強度性能要求，提升了其疲勞壽命。

5 結論

基于有限元仿真技術對某純電動輕卡電池包支架的三種典型工況進行強度分析，其最大應力分別為 99.9MPa、80.9MPa和256.0MPa，在工況三時的最大應力超過其材料屈服強度。通過增加兩個縱梁以達到降低應力的目的，改進之后三種工況的最大應力為91.7MPa、75.8MPa和218.8MPa，均小于材料許用應力，滿足強度設計要求，能夠有效降低其疲勞斷裂風險。

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