吳蒙

基于ABAQUS的某輕卡蓄電池支架輕量化對比研究

吳蒙

（江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術中心，江西 南昌 330001）

為積極響應國家輕卡藍牌政策，落實整備質(zhì)量輕量化工作，文章基于ABAQUS仿真軟件，采集襄陽試驗場安裝蓄電池支架處的車架加速度信號，開展了高強鋼輕量化方案和鋁合金輕量化方案結(jié)構(gòu)設計，并對兩款蓄電池支架輕量化方案進行了CAE強度分析，結(jié)果顯示，兩款輕量化方案滿足設計目標要求，輕量化效果顯著，可推廣實車應用。

輕卡；蓄電池支架；輕量化

引言

隨著新冠疫情后的世界經(jīng)濟復蘇及國內(nèi)雙循環(huán)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民的物質(zhì)生活水平穩(wěn)步提高，同時藍牌輕卡因其可進城，具有路權優(yōu)勢，商用輕卡銷量也得到迅猛攀升[1-2]。與此同時，隨著國家嚴格的藍牌上牌政策要求及治理空車超重問題，輕卡輕量化已經(jīng)上升到重要高度。

輕卡的重量屬性是重量在整車內(nèi)的分布，是影響行駛性能和使用的重要因素。輕量化，是指基于汽車設計理論和CAE及工程經(jīng)驗及試驗等方法路徑，應用高強鋼材質(zhì)及鋁合金材質(zhì)及其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，在確保系統(tǒng)零部件自身的性能不下降的前置條件下，最大化地降低零部件質(zhì)量。

由于具有良好的強度和延展性及相對低廉的制造成本，鋼一直是汽車工業(yè)的重要材料之一，高強鋼具有高屈服強度和抗拉強度性能，具有良好的輕量化應用前景。而鋁合金材質(zhì)，其密度約為鋼材的三分之一，同時具有高比強度、抗腐蝕性性能等優(yōu)勢，其塑性較好，加工工藝簡單，基于此優(yōu)勢，鋁合金材料在商用車輕量化設計中大范圍應用于整車底盤和車身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中[3-5]。

蓄電池是輕卡不可缺少的系統(tǒng)部件，如圖1，為整車啟動和影音娛樂系統(tǒng)提供必要的電能來源，整車的性能是否正常工作與蓄電池系統(tǒng)工作狀態(tài)緊密相關，故蓄電池安裝支架既要確保本身的結(jié)構(gòu)強度，同時也要追求零部件自身輕量化。

本文首先開展了高強鋼和鋁合金蓄電池支架兩個輕量化方案的結(jié)構(gòu)設計，同時在襄陽試驗場對某輕卡的蓄電池支架安裝區(qū)域的車架進行了加速度采集測試，并對兩款輕量化方案分別進行了靜強度對比分析，結(jié)果表明，在靜態(tài)強度工況下，鋁合金支架最大應力均小于6061鋁合金材料屈服極限強度，該鋁合金支架減重取得減輕1.3 kg，高強鋼蓄電池支架減輕了0.5 kg，兩款方案輕量化效果顯著，具有廣闊的應用前景。

1 蓄電池支架輕量化方案CAE強度對比分析

1.1 蓄電池支架輕量化方案結(jié)構(gòu)設計及CAE有限元模型

不同的發(fā)動機，其所要求的蓄電池功率電壓不同，常見的為12 V和24 V蓄電池。本文研究的蓄電池系統(tǒng)，其電壓為12 V，也稱為單電瓶，其固定安裝支架是通過四個M10螺栓與車架縱梁固聯(lián)，蓄電池放置于托盤支架內(nèi)，并通過具有壓緊力的壓板進行緊固，如圖1，基礎蓄電池支架方案材料為DC01，厚度為2 mm，基礎支架重量為3.3 kg，高強鋼輕量化方案，是將支架材料提升為B510L，該材料屈服強度是DC01材料的2.5倍，同時進行深一步的減重孔設計，料厚由現(xiàn)有的2.7 mm減薄至2 mm，減重量達到0.5 kg。鋁合金輕量化方案，是使用6系列輕質(zhì)鋁合金材料，支架厚度維持基礎方案，重量減輕了1.2 kg，該支架為擠壓成型件。

圖1 某輕卡蓄電池支架

有限元模型主要采用四邊形和三角形單元劃分，蓄電池采用Solid實體單元模擬，支架后端安裝孔約束全部自由度，上壓板和下托板與蓄電池本體采用rigid單元連接，三款蓄電池支架方案結(jié)構(gòu)對比如圖2。

圖2 蓄電池支架輕量化方案

1.2 蓄電池支架輕量化方案CAE強度分析

根據(jù)測試得到的加速度數(shù)據(jù)，本文對基礎蓄電池支架方案和高強鋼輕量化方案及鋁合金蓄電池支架輕量化方案進行了結(jié)構(gòu)強度對比分析，結(jié)果表明，其中X5工況下，基礎支架方案和高強鋼輕量化方案及鋁合金支架輕量化方案最大應力分別為264 MPa、23 MPa和34.4 MPa，Y5 g工況下，基礎支架方案和高強鋼輕量化方案及鋁合金支架輕量化方案最大應力分別為76.1 MPa、62.4 MPa和29.1 MPa，Z5工況下，基礎支架方案和高強鋼輕量化方案及鋁合金支架輕量化方案最大應力分別為135.5 MPa、25.9 MPa和121.4 MPa。結(jié)果表明，高強鋼輕量化方案應力改善效果非常顯著，而鋁合金輕量化支架輕量化效果非常可觀，兩個輕量化方案支架最大應力都小于材料本身的屈服強度，故滿足設計目標要求。

圖4 蓄電池高強鋼支架輕量化方案強度分析結(jié)果

2 蓄電池支架加速度試驗

2.1 襄陽試驗場耐久道路工況

襄陽汽車試驗場是我國汽車行業(yè)內(nèi)著名的綜合性汽車試驗場地，擁有壞路、山路等路面[4]。本文輕卡整車耐久試驗開展的主要是壞路考核，包括搓板路和扭曲路等路面（圖6）。

2.2 蓄電池支架安裝位置車架處的加速度采集

本文在試驗場進行了某電動輕卡蓄電池支架安裝位置車架處的加速度采集試驗，圖7為加速度傳感器布置安裝位置示意圖，整車GVW質(zhì)量5 995 kg。

圖7 蓄電池支架加速度傳感器布點位置圖

2.3 加速度試驗數(shù)據(jù)分析

本文在試驗場進行了多輪壞路工況采集，基礎方案的蓄電池支架加速度數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖8，蓄電池支架固定端前進方向峰值加速度為3.2，向峰值為3.1，高度方向最大值達到4.6，兼顧設計余量，本文輸入于兩款輕量化方案支架的CAE強度分析的載荷激勵為X5，Y5，Z5。

圖8 蓄電池支架加速度測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文開展了高強鋼和鋁合金蓄電池支架兩個輕量化方案的結(jié)構(gòu)設計，同時在試驗場對某輕卡的蓄電池支架安裝區(qū)域的車架進行了加速度采集測試，并對兩款輕量化方案分別進行了靜強度對比分析基于結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)和數(shù)值分析理論，對某輕卡蓄電池鋁合金輕量化支架進行了輕量化CAE強度對比分析，結(jié)果如下：

蓄電池支架加速度實測峰值為向5，向5，向5。

高強鋼蓄電池支架輕量化方案應力改善幅度比顯著，實現(xiàn)減重0.5 kg；

鋁合金蓄電池支架輕量化方案，最大應力小于6系鋁合金材料本身的屈服強度，且輕量化效果更優(yōu)，減重達到1.3 kg。

[1] 張磊,李信麗,黃勤.基于Nastran的某新能源輕卡電池包支架強度性能研究[J].南方農(nóng)機,2020,51(18):191-192.

[2] 廖奇峰,李智威,黃德明,等.基于ABAQUS的某商用車ECU支架輕量化研究[J].汽車實用技術,2020,45(22):73-74+83.

[3] 王友華,靖娟,鐘秤平.基于頻率響應的某車型ECU支架CAE強度分析與優(yōu)化[J].機械工程師,2019(06):114-116.

[4] 謝東明,邱彬,柴智勇,等.基于乘用車ABS試驗的各試驗場低附著路面現(xiàn)狀分析[J].汽車技術,2016(11):36-39.

[5] 王銳,蘇小平.汽車副車架強度模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機械設計與制造,2015(04):152-154.

Comparative Research on Lightweight of a Light Truck Battery Based on ABAQUS

WU Meng

( Product Development & Technical Center, JiangLing Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001 )

In order to actively respond to the national light truck blue card policy and implement the lightweight work of servicing quality, based on ABAQUS simulation software, this paper collects the acceleration signal of the frame where the battery bracket is installed in Xiangyang test field, and carried out the structural design of high strength steel lightweight scheme and aluminum alloy lightweight scheme, and carries out the CAE strength analysis of two battery bracket lightweight scheme meets the require- ments of design objectives, and the lightweight effect is remarkable, which can be applied in real vehicles.

Light truck;Battery bracket;Lightweight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.022

U463.63+3

A

1671-7988(2021)24-97-04

U463.63+3

A

1671-7988(2021)24-97-04

吳蒙，就職于江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術中心。