承姿辛，劉玉敏

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462000）

關(guān)鍵字：蓄電池支架；強(qiáng)度；優(yōu)化設(shè)計

引言

蓄電池是汽車重要的零部件，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)在剛啟動或低速運轉(zhuǎn)時，汽車發(fā)電機(jī)不工作或者輸出的電壓較低，此時主要靠蓄電池向車內(nèi)的用電設(shè)備供電。此外，蓄電池還是一個大容量的電容器，可以吸收車內(nèi)電路中的瞬時高壓，從而保護(hù)車內(nèi)用電設(shè)備。蓄電池支架的作用為支撐、保護(hù)蓄電池，若蓄電池支架強(qiáng)度不足，在應(yīng)力較大處可能出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池支架斷裂失效，從而影響蓄電池正常工作。例如某車型蓄電池支架在進(jìn)行ET 階段的可靠耐久試驗時發(fā)生開裂，開裂的原因為蓄電池托板支架圓角處存在應(yīng)力集中，應(yīng)力超過了所用材料的屈服極限，同時蓄電池支架的固有頻率和發(fā)動機(jī)怠速頻率相重合，發(fā)生共振現(xiàn)象[1]。

本文基于有限元分析軟件NASTRAN，針對相應(yīng)的分析工況，對新設(shè)計的蓄電池支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，模擬蓄電池支架在可靠耐久試驗過程中的受力情況，預(yù)測蓄電池支架容易開裂的部位。同時，對蓄電池支架進(jìn)行模態(tài)分析，避免蓄電池支架與發(fā)動機(jī)怠速頻率和路面激勵頻率發(fā)生共振，造成開裂現(xiàn)象，為蓄電池支架的長壽命設(shè)計提供依據(jù)。

1 有限元分析模型的建立

1.1 網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)

在有限元分析前處理軟件Hypermesh 中對蓄電池支架總成各個支架抽中面并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格的單元類型為四邊形和三角形殼單元，網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：殼網(wǎng)格單元基本尺寸為10mm（最小尺寸為8mm、最大尺寸為12mm），翹曲度（Warping≤10），雅克比（Jacobin≥0.6），長寬比（Aspect ratio≤4.0）。

1.2 邊界條件設(shè)置

蓄電池支架一般安裝于發(fā)動機(jī)艙左縱梁上，建模時，考慮到模型的大小和計算時間，一般截取部分白車身模型就能滿足分析需求。本文用整車坐標(biāo)系下的YZ 平面和XZ 平面分別截取四分之一倍大小的白車身，約束截取面6 個方向全部自由度，同時約束副車架安裝點及前減震器和螺旋簧安裝點3 個平動方向的自由度。模型中不建出蓄電池模型，將蓄電池與蓄電池托盤支架接觸部分用REB2 抓取，讓REB2 的主節(jié)點與蓄電池的質(zhì)心坐標(biāo)相重合，在蓄電池質(zhì)心位置添加集中質(zhì)量單元進(jìn)行模擬仿真，集中質(zhì)量的大小即為蓄電池的質(zhì)量。蓄電池支架總成與機(jī)艙縱梁之間的螺栓連接采用REB2 單元進(jìn)行抓取模擬，模型中的焊點用 NASTRAN CWELD 焊點單元進(jìn)行模擬[2]，最終建成的模型如圖1 所示。

圖1 蓄電池支架強(qiáng)度分析有限元模型

2 強(qiáng)度分析

2.1 強(qiáng)度分析工況的確定

對于一輛轎車，在其行駛過程中，車輛機(jī)艙前橫梁處會產(chǎn)生破壞力較強(qiáng)的振動和沖擊，這些振動和沖擊傳遞到安裝在機(jī)艙縱梁上的蓄電池支架總成上，易導(dǎo)致蓄電池支架的開裂失效等問題，從而導(dǎo)致蓄電池開裂、磨損、漏液、饋電、線束磨損失效等問題。為避免出現(xiàn)這些問題，需制定切實有效的工況來解決該問題。

用某款在研車型的先行車進(jìn)行強(qiáng)化壞路試驗，在靠近蓄電池質(zhì)心位置貼上加速度傳感器，以此獲得蓄電池在試驗過程中的加速度譜，根據(jù)加速度譜得出蓄電池在X、Y、Z 方向上的最大加速度分別為：4.8g、5g、5.5g，從而制定分析工況如表1 所示：

表1 工況分析表

2.2 強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)蓄電池強(qiáng)度分析工況，在NASTRAN 中，對蓄電池支架總成強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果可知，蓄電池支架總成中各個零部件在強(qiáng)度分析工況下均未超過其所用材料的屈服極限。其中，蓄電池托盤在各個工況下所受的應(yīng)力均較小，在工況二下，其所受的應(yīng)力最大，其所受最大應(yīng)力的應(yīng)力云圖如圖2 所示：

圖2 蓄電池托盤最大應(yīng)力云圖

蓄電池托盤厚度為1.4mm，所用材料為DC01D+Z（屈服強(qiáng)度為180MPa），由此可見其蓄電池托盤的應(yīng)力遠(yuǎn)小于其所用材料的屈服強(qiáng)度，有優(yōu)化的空間[3]。

3 模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析工況的確定

一般情況下，路面對車輛的激勵頻率在25Hz 以下，發(fā)動機(jī)的怠速頻率為在25Hz 和30Hz 之間[4]。因此，為了避免蓄電池支架總成固有頻率與路面激勵頻率及發(fā)動機(jī)怠速頻率一致而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，將蓄電池支架的目標(biāo)振動頻率設(shè)置為35Hz 以上[5]。

在有限元強(qiáng)度分析模型的基礎(chǔ)上，刪除強(qiáng)度分析載荷步，在NASTRAN 中計算蓄電池支架的約束模態(tài)，得到蓄電池支架的一階約束模態(tài)為43.25Hz，其一階約束模態(tài)位移云圖如圖3 所示，由圖3 可以看出蓄電池支架總成的一階約束模態(tài)位于蓄電池支架托盤上，滿足模態(tài)分析目標(biāo)要求，有優(yōu)化分析的空間。

圖3 蓄電池支架一階約束模態(tài)位移云圖

4 蓄電池支架優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化方案的確定

由蓄電池支架強(qiáng)度及模態(tài)分析結(jié)果可知，該款蓄電池支架總成的設(shè)計方案滿足性能要求，存在性能過剩，因此本著減輕重量、降低成本的原則，我們采取三種方案對蓄電池支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于蓄電池托盤所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，且其邊界遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出蓄電池邊界，因此可以對其進(jìn)行優(yōu)化，制定具體的優(yōu)化方案如下：

方案一：將圖4 中蓄電池托盤區(qū)域1 處縮短20mm；方案二：將蓄電池托盤厚度由1.4mm 減薄到1.2mm；方案三：將蓄電池托盤厚度由1.4mm 減薄到1.2mm，同時將蓄電池托盤長度縮短20mm。

圖4 蓄電池托盤展示

4.2 優(yōu)化后分析結(jié)果

對以上三種優(yōu)化方案分別運用表1 中的強(qiáng)度分析工況進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，方案一蓄電池支架總成所有零部件均滿足強(qiáng)度目標(biāo)要求，方案二及方案三中蓄電池支架二最大應(yīng)力均為292MPa，所用材料為HC220YD，其屈服極限為260MPa，因此蓄電池支架二不滿足強(qiáng)度目標(biāo)要求，有開裂失效風(fēng)險。

蓄電池支架總成中所受最大應(yīng)力的零部件的應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖5 三種優(yōu)化方案強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖

在強(qiáng)度分析滿足要求的基礎(chǔ)上，對優(yōu)化方案一進(jìn)行模態(tài)分析，蓄電池支架總成的的一階約束模態(tài)仍然位于蓄電池托盤上，大小為43.42Hz，與原方案的一階約束模態(tài)相差不大，其一階約束模態(tài)位移云圖如圖6 所示，滿足模態(tài)分析目標(biāo)要求，因此最終可以采取優(yōu)化方案一進(jìn)行試制裝車。

圖6 方案一蓄電池支架一階約束模態(tài)位移云圖

5 結(jié)論

本文對設(shè)計人員新開發(fā)的蓄電池支架總成進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，在滿足性能目標(biāo)要求的前提下選取強(qiáng)度分析工況下所受最大應(yīng)力較小的蓄電池托盤進(jìn)行優(yōu)化分析，以達(dá)到減重、降成本的目的。對三種優(yōu)化方案進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，通過對比分析結(jié)果，最終選出了滿足目標(biāo)要求的優(yōu)化方案，為后續(xù)車型蓄電池支架總成的設(shè)計提供了可行方案，具有重要的參考意義。