楊業(yè)福

（深圳市深普鐳科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 電動汽車和動力電池簡介

1.1 電動汽車基本介紹

在當下，我國的經(jīng)濟社會飛速發(fā)展，在各類新型交通工具廣泛使用的同時，也對周邊的生態(tài)環(huán)境造成了較大的負擔，同時也會消耗大量的能源，造成能源資源緊張的問題。針對當下許多機動車造成環(huán)境污染的問題，需要加大對新能源汽車的研發(fā)和推廣。在各種新能源汽車中，電動汽車較為便捷，適用范圍較為廣泛，可以進行進一步的完善和推廣。新能源電動汽車可以極大減少對石油的消耗，比許多現(xiàn)行的機動車污染程度要低很多，甚至可以達到幾乎完全無污染的狀態(tài)。在電動汽車的研發(fā)和成熟的過程中，汽車的能源動力系統(tǒng)不斷實現(xiàn)了電氣化的目標，讓汽車行業(yè)的整體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一定程度的轉(zhuǎn)型。

1.2 動力電池和激光焊接

在電動汽車中，存在著許多的關(guān)鍵部件，其中對電動汽車的整體性能起到關(guān)鍵性影響的動力電池。在動力汽車的整體運行過程中，基本的壽命和穩(wěn)定性，會受到動力電池封裝技術(shù)的直接影響。在當下，動力電池的封裝技術(shù)五花八門，使用最多的便是激光焊接的基本方式。目前動力電池不斷發(fā)展成熟，產(chǎn)能正在不斷升高，相關(guān)的生產(chǎn)商也更加注重電池的外殼焊接部分的生產(chǎn)，并不斷提高生產(chǎn)效率和整體質(zhì)量。當下國內(nèi)市場上，對于動力電池的焊接相關(guān)設備還不夠充足，傳統(tǒng)的激光焊接機還存在著種種弊端，難以充分提高焊接過程的整體質(zhì)量。

2 激光焊接機的整體結(jié)構(gòu)設計分析

在進行激光焊接機的結(jié)構(gòu)設計時，首先需要充分分析機床和激光焊接機，對它們有著更加深入細致的了解，對結(jié)構(gòu)的可靠性和復雜性都進行多維度的分析，同時著重研究鋁合金外殼的焊接特性和焊接工藝等。除此以外，還需要依據(jù)過去的激光焊接機生產(chǎn)和使用過程中出現(xiàn)的問題，進行更加細致的改善，充分考慮方形動力電池的基本特征，結(jié)合相關(guān)的性能和技術(shù)上的標準，進行總體方案的設計。激光焊接機的總體設計過程，主要包括以下內(nèi)容：①設計好X 軸和床身。床身的作用便是支撐，讓靜動剛度保持在一定的數(shù)值。動力電池的相關(guān)工件夾具在X 軸的直線電動機的帶動下，可以實現(xiàn)在X 方向上的精細化移動。②立柱方面的設計。在整個裝置設備中，立柱起到了十分重要的作用。在激光焊接機中的立柱，讓激光焊接頭得到了很好的支撐，并不斷滿足接頭朝著Z 方向進行移動。在對立柱進行精細化的設計過程中，需要充分保障立柱的整體剛度，同時又要滿足立柱的基本高度。但在立柱的設計過程中，需要充分依據(jù)設計的實際狀況，立柱既需要滿足基本高度，又不能超過一定的限度。當立柱超過一定高度以后，會對床身產(chǎn)生較大的負面影響，嚴重的甚至會導致床身產(chǎn)生傾覆的現(xiàn)象。③Y 軸的設計。Y 軸的作用，也十分重要，主要通過其上的直線電動機，不斷牽引焊接頭朝著Y軸不斷移動。④Z 軸的設計。Z 軸上的伺服電動機和滾珠絲杠發(fā)揮著十分重要的作用，組合傳動的過程中，可以充分帶動焊接頭朝著Z 軸的方向不斷移動，讓大部分的激光實現(xiàn)在動力電池外殼上的精準聚焦。

3 整機運動仿真分析

在進行整機運動仿真的過程中，需要利用相關(guān)的專業(yè)軟件，進行激光焊接機的三維實體模型的高效構(gòu)建。當模型構(gòu)建完畢以后，還需要利用相關(guān)軟件進行文件格式的轉(zhuǎn)換和保存，并導入到UG 軟件中。導入完畢以后，需要在UG 軟件中進行運動仿真模塊的啟動。在整機運動仿真的具體過程中，許多零部件對整體的分析結(jié)果沒有太大的影響，可以在具體的實驗過程中被忽略不計，包括螺栓和承軸等部件。在進行動力學仿真的具體過程中，主要進行分析處理的便是絲桿螺母和直線電動機動子。

在利用UG 軟件進行運動仿真的具體分析時，存在著成體系的操作流程。首先，需要對機構(gòu)中的元件進行精準的定義，一般而言都叫做“連桿”。在運動仿真過程中具體定義的連桿，和連桿機構(gòu)中的連桿不是一個概念。這里的連桿包涵的范圍更加廣泛，是通過運動副進行高效連接的一些機構(gòu)原件，這些元件可以滿足相關(guān)的運動需求。依據(jù)整個運動仿真過程的整體需要，在具體的工作過程中要把多個部分進行連桿的定義。主要包括X 軸中的動子以及動子的安裝板。除此以外，滑板和夾具也會歸入到連桿中去，同時需要注重副約束的具體設置。Y 軸和Z 軸，和X 軸基本同理。針對3個軸，最終需要讓仿真出的運動狀況進行更加真實的展示，需要規(guī)范添加相關(guān)的函數(shù)，對三個軸的運動副速度和時間進行相關(guān)的定義，并表示出它們之間的關(guān)系，設置出各個部分的驅(qū)動函數(shù)。

4 零部件的優(yōu)化設計分析

在進行零部件的設計過程中，需要不斷進行優(yōu)化，即所謂的最小化或者最大化的進一步實現(xiàn)。在優(yōu)化設計的過程中，需要在保障基本設計得到滿足的前提下，實現(xiàn)對成本的最小消耗。通過相關(guān)的有限元分析軟件，進行更加精細化的設計優(yōu)化，對相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸進行進一步的優(yōu)化，同時還可以進行高效的拓撲優(yōu)化。

4.1 立柱的拓撲優(yōu)化

在零部件的整體優(yōu)化過程中，首先需要考慮立柱的拓撲優(yōu)化。在進行拓撲優(yōu)化時，存在著兩種類型的優(yōu)化對象，主要分為離散和連續(xù)拓撲優(yōu)化兩種。在連續(xù)體的拓撲優(yōu)化過程中，主要進行材料的離散，把一些存在明顯結(jié)構(gòu)的材料轉(zhuǎn)變成許多單元。而另外一種離散型的拓撲優(yōu)化，則是在一定的設計空間中進行基結(jié)構(gòu)的建立，基結(jié)構(gòu)存在著諸多的梁單位?；Y(jié)構(gòu)建立完畢以后，需要充分利用相關(guān)的算法，對空間內(nèi)一些單元是否保留作出更明智的判斷。通過相關(guān)的算法求解，可以對立柱進行三種顏色的標記。其中，黃色代表邊緣材料，這些材料可以被保留，也可以直接省略掉。除此以外，紅色代表可省略的區(qū)域，灰色代表需要保留下來的區(qū)域。在具體的算法應用過程中，需要充分依據(jù)一些數(shù)據(jù)，包括立柱的原始質(zhì)量、邊緣質(zhì)量和優(yōu)化以后的質(zhì)量等。在具體的優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)紅色標記的省略區(qū)域大部分集中于立柱的下方區(qū)域，尤其是在底部區(qū)域。但在具體的優(yōu)化過程中，由于需要在焊接頭和動力電池之間保持好一定的高度，不能過分降低立柱的高度，只能依據(jù)實際情況進行稍許的降低。除此以外，還需要在設計的過程中充分考慮大理石材料的特性。大理石本身較為脆弱，需要在設計時盡可能規(guī)避掉一些較為復雜的結(jié)構(gòu)，同時也需要遠離一些較薄的壁厚以及一些距離邊緣較近的孔隙。然后需要進行立柱優(yōu)化以后的整體模型構(gòu)建，構(gòu)建的過程中需要充分依據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果和數(shù)據(jù)，回到之前的關(guān)聯(lián)軟件，在軟件中利用相關(guān)的技術(shù)操作，實現(xiàn)對部分紅色區(qū)域的規(guī)范切除。接著利用相關(guān)軟件，將得到的模型直接導入其中，接著完成有限元分析的過程。在分析時，還需要注重和之前的原設計分析結(jié)果進行相互的比對。通過相互間的比對，可以發(fā)現(xiàn)立柱本身的最大總變形量發(fā)生了一定程度的下降，一階的固有概率獲得了一定程度的提高，質(zhì)量明顯減少，靜動態(tài)特性獲得了多維度的提升。

4.2 橫梁的具體優(yōu)化過程

在整個激光焊接機的所有系統(tǒng)部件中，橫梁起著十分重要的作用，同時也具有較為復雜的結(jié)構(gòu)，設計時需要注重對結(jié)構(gòu)尺寸的精細化把控，進行變量的設計。除此以外，還需要充分考慮整個過程中所需要消耗的材料成本，同時還需要注重靜動態(tài)性能。基于上述考慮，在具體的設計和優(yōu)化過程中，最好不要使用單一的變量，也不可僅有一個目標，需要依據(jù)實際的需要進行多目標的高效優(yōu)化。在橫梁的具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，可以高效利用響應面法，提供一種簡潔高效的思路，并充分配合多目標優(yōu)化函數(shù)進行相關(guān)的計算分析，實現(xiàn)多目標的高效優(yōu)化設計。

4.2.1 設計變量的選取

在具體的優(yōu)化設計過程中，需要注重對變量的選取。在初步進行變量選取時，主要需要考慮5個方面的參數(shù)，主要包括橫梁的幾個測量標準，分別是高度、寬度、長度以及中間槽部的深度和寬度。這5個變量作為設計過程中的輸入變量。除了輸入變量以外，還需要設計目標函數(shù)，相關(guān)的參數(shù)主要包括橫梁的總質(zhì)量、最大變形量、最大等效應力和一階固有概率。在利用相關(guān)軟件進行優(yōu)化設計的變量設置時，需要依據(jù)系統(tǒng)的特征，進行參數(shù)名的規(guī)范設置，接著充分導入橫梁的模型，將輸入的變量轉(zhuǎn)變成參數(shù)。在固定的界面中，實現(xiàn)將輸出目標轉(zhuǎn)變成相關(guān)參數(shù)。

4.2.2 多目標優(yōu)化實驗設計

通過相關(guān)實驗，對樣本點進行設計和確定，這樣可以實現(xiàn)利用較少的實驗次數(shù)來得出輸入量和目標量之間的關(guān)系，這種方法更廣泛應用于多個輸入量的狀態(tài)。抽樣數(shù)和設計變量之間，存在著一定的關(guān)系。接著，在相關(guān)界面查看設計點，得到樣本點的基本計算結(jié)果。然后需要對輸出量的重要性進行設定，輸出3組優(yōu)化結(jié)果，如表1 所示（表中的P1，P2，P3，P4，P5 分別表示橫梁的高度、寬度、長度、中間槽的深度和寬度），通過分析發(fā)現(xiàn)，第二組更能符合最終的要求。

表1 優(yōu)化結(jié)果的3種組合

4.2.3 優(yōu)化結(jié)果的對比

將得到的最優(yōu)解進行圓整修正，可以得出相關(guān)的尺寸數(shù)據(jù)。在相關(guān)的軟件中，需要進行橫梁模型優(yōu)化值尺寸的圓整，轉(zhuǎn)變成修正值尺寸。圓整工作結(jié)束以后，再完成相關(guān)的有限元分析，并對前后的結(jié)果進行比對分析發(fā)現(xiàn)最大等效應力減小，一階固有頻率提高，質(zhì)量減少。表2為優(yōu)化前后的整體對比。

表2 優(yōu)化前后的整體對比

5 結(jié)束語

通過相關(guān)的線性模組，實現(xiàn)激光的聚焦，焊接頭沿著一定的軌跡進行運動，讓電池殼體的焊接一次性完成。在運動仿真過程中，建模的正確性得到了驗證，預期的動作得到了很好地完成。立柱需要進行拓撲的優(yōu)化設計，改善立柱的結(jié)構(gòu)，進行靜動態(tài)性能的分析。針對橫梁，需要進行多目標優(yōu)化設計，進行函數(shù)的巧妙設計，利用相關(guān)系統(tǒng)軟件進行求解和比對，尋求更優(yōu)的方案。