陳德燈，王天生，韋相福，方 正，龐新渟

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步及人們生活水平的不斷提高，汽車技術(shù)也隨之向智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展。純電動汽車的維修與保養(yǎng)隨之越來越重要，需求量更大。在對純電動汽車進(jìn)行維修與保養(yǎng)的過程中，動力電池舉升機(jī)大量使用，所需材料量較大。在保證動力電池舉升機(jī)設(shè)備承載能力下對其進(jìn)行輕量化研究非常有必要。

20世紀(jì)20年代，Manyl和Weaver等[1]聯(lián)合開發(fā)一款舉升機(jī)器，其可以在不同的環(huán)境條件下，隨時隨地地調(diào)節(jié)舉升機(jī)器本身的舉升位置，可以調(diào)節(jié)的高度達(dá)1.2192 m。1925年，Lunati[2-3]研發(fā)出全球首臺使用液力裝置的舉升機(jī)，使得汽車的維修更便捷、更有動力。2005年，包小瑛[5]完成了剪式舉升機(jī)的靜應(yīng)力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了剪式舉升機(jī)達(dá)到行業(yè)結(jié)構(gòu)的規(guī)定要求，并對剪式舉升機(jī)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使上板厚度由9 mm縮減到7.2 mm的厚度，減輕了這個剪式舉升機(jī)整體重量，減少了生產(chǎn)成本。2020年，趙思萱[4]對小剪式舉升機(jī)進(jìn)行靜應(yīng)力分析，并驗(yàn)證舉升機(jī)的剛度和強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計要求和舉升機(jī)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

采用Workbench軟件對動力電池舉升機(jī)進(jìn)行靜應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在保證其安全、承載能力的情況下，減少動力電池舉升機(jī)整體重量及動力電池舉升機(jī)生產(chǎn)成本。

1 動力電池舉升機(jī)

本研究的動力電池舉升機(jī)是以某款HY-JSDC-3115動力電池舉升機(jī)作為參考的對象，采用的是移動設(shè)計，對場地使用要求非常低，可以隨時隨地移動，可適用于純電動汽車維修公司對純電動汽車動力電池的舉升與下降要求。通過CATIA軟件建立動力電池舉升機(jī)模型，得到幾何模型，如圖1所示。

圖1 動力電池舉升機(jī)幾何模型

表1 動力電池舉升機(jī)基本參數(shù)

2 動力電池舉升機(jī)有限元分析

2.1 動力電池舉機(jī)有限元模型

將CATIA建立的動力電池舉升機(jī)幾何模型導(dǎo)入到Workbench有限元軟件，進(jìn)行模型的修改完善，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用自適應(yīng)自動網(wǎng)格化方式來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對不同部件采用不同網(wǎng)格密度需求保證分析的精度，整體控制在15 mm以內(nèi)。定義結(jié)構(gòu)的材料屬性，動力電池舉升機(jī)結(jié)構(gòu)材料采用Q355，材料基本參數(shù)見表2。

表2 材料基本參數(shù)

建立的有限元模型如圖2所示，共建立了520002單元，174792節(jié)點(diǎn)。

圖2 動力電池舉升機(jī)有限元模型

2.2 動力電池舉升機(jī)有限元分析

有限元法能夠解決非常復(fù)雜的工程問題，把本來是一個連續(xù)的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上來劃分有限元。一般情況下是通過有限個節(jié)點(diǎn)形成相互聯(lián)結(jié)及相互作用，在原則上是承擔(dān)著和真實(shí)載荷相等的單元節(jié)點(diǎn)載荷，并且在力的平衡條件下完成有限元分析，最后依據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形條件使得有限個單元節(jié)點(diǎn)刷新組成可以實(shí)現(xiàn)整體的綜合求解。

Workbench分析過程的前處理是有2個方面：①對幾何實(shí)體模型的建立和完善；②把模型轉(zhuǎn)換成有限元模型。有限元模型基本是用幾何實(shí)體模型轉(zhuǎn)換的，但轉(zhuǎn)化之前的模型不參與相關(guān)分析。主要是通過以下4種方法完成Workbench有限元模型的建立。

（1）使用Workbench軟件建立和完善有限元模型，并且在這基礎(chǔ)上網(wǎng)格化。

（2）使用建模軟件完成對實(shí)體模型的構(gòu)建，導(dǎo)入Workbench分析軟件完成模型轉(zhuǎn)換，完善后進(jìn)行網(wǎng)格化。

（3）在Workbench應(yīng)用環(huán)境中建立完善結(jié)構(gòu)單元和節(jié)點(diǎn)。

（4）在建模軟件中建立完善有限元模型，最后將單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)導(dǎo)入到Workbench分析軟件當(dāng)中。

在本研究中要添加的載荷中考慮動力電池舉升機(jī)舉升的最大重量，按照這個動力電池舉升機(jī)可以舉升不超過1000 kg的動力電池，即可以在動力電池舉升機(jī)上施加9800 N，集中力方向向下，即為Y方向上的負(fù)方向。如圖3所示。

圖3 動力電池舉升機(jī)載荷施加

對動力電池舉升機(jī)有限元模型進(jìn)行求解，選取動力電池舉升機(jī)舉升高度不同的4個工況來進(jìn)行分析，表3所列為4個工況的基本參數(shù)。

表3 工況的基本情況

工況的結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況1的變形圖

動力電池舉升機(jī)4個工況的變形結(jié)果見表4。

表4 變形量

從表4可以看出，動力電池舉升機(jī)變形量小于舉升機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTT 155-2004[6]的規(guī)定，動力電池舉升機(jī)變形量滿足要求。

工況1的應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況1的應(yīng)力圖

動力電池舉升機(jī)4個工況的應(yīng)力結(jié)果見表5。

表5 應(yīng)力值

從表5可以看出，動力電池舉升機(jī)應(yīng)力最大值是155 MPa，在Q355許用應(yīng)力255 MPa的范圍內(nèi)，動力電池舉升機(jī)應(yīng)力滿足要求。

3 動力電池舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在Workbench分析軟件對優(yōu)化問題使用的措施一般是在設(shè)計資源管理器“Design Explorer”中的優(yōu)化設(shè)計類型。最主要的是直接優(yōu)化方式“Design Explorer”。

參數(shù)化設(shè)計，簡單來說就是在幾何實(shí)體模型上采用參數(shù)化，在優(yōu)化設(shè)計中采用參數(shù)化的模型，為優(yōu)化設(shè)計提供有效的幫助，擴(kuò)展了有限元分析的能力。參數(shù)化后的模型，可以在Workbench分析軟件上來優(yōu)化設(shè)計。

在這個優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)上要設(shè)計基本設(shè)計變量、添加基礎(chǔ)狀態(tài)變量、確定問題目標(biāo)函數(shù)等。從而使優(yōu)化設(shè)計有明確的優(yōu)化方向，進(jìn)行多次反復(fù)迭代分析后，在完成優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)果中選取一個最合理的結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，完成優(yōu)化設(shè)計。

采用直接優(yōu)化方式，基本過程是：參數(shù)化模型后，在Workbench分析軟件上聯(lián)結(jié)導(dǎo)入直接優(yōu)化。

對動力電池舉升機(jī)幾何模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，導(dǎo)入Workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。選擇對優(yōu)化結(jié)果影響的尺寸參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化，在Direct Optimization中，選取重量、體積、應(yīng)力、變形作為參考條件，選取20個優(yōu)化點(diǎn)作為參考點(diǎn)。通過優(yōu)化篩選后，在給出的20個優(yōu)化結(jié)果中選擇合適的尺寸作為參考，確定對優(yōu)化結(jié)構(gòu)有幫助、對優(yōu)化結(jié)構(gòu)影響大作為完成對結(jié)構(gòu)上優(yōu)化的依據(jù)。

從減輕動力電池舉升機(jī)整體重量、減少其生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，針對性的對動力電池舉升機(jī)的車架豎直方管、支撐支架、上架平面進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計，模型尺寸參數(shù)優(yōu)化見表6。

表6 參數(shù)對比

對動力電池舉升機(jī)要優(yōu)化的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化前后4個工況的靜應(yīng)力分析對比，靜應(yīng)力分析變形結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況1優(yōu)化前（a）后（b）變形圖

靜應(yīng)力分析應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖7 工況1優(yōu)化前后應(yīng)力圖

通過表6～8結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的最大應(yīng)力增大了，但是還是小于材料的許用應(yīng)力，最大變形在規(guī)定的變形范圍內(nèi)。優(yōu)化后的結(jié)果滿足使用要求。

表7 變形量

表8 應(yīng)力值

4 結(jié)語

對建立動力電池舉升機(jī)有限元模型，通過Workbench分析軟件對動力電池舉升機(jī)進(jìn)行前處理、添加載荷與約束等一系列操作后進(jìn)行靜態(tài)分析。經(jīng)過靜力學(xué)分析應(yīng)力最大值不超過Q355許用應(yīng)力，動力電池舉升機(jī)符合使用要求。然后通過參數(shù)化模型進(jìn)行直接優(yōu)化設(shè)計，在多個優(yōu)化結(jié)果中選取最合理的優(yōu)化結(jié)果。從減輕動力電池舉升機(jī)整體重量、減少動力電池舉升機(jī)生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，進(jìn)行部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果符合使用要求，優(yōu)化后的整體重量比優(yōu)化前減少了11.96 kg，優(yōu)化后最大應(yīng)力比材料的許用應(yīng)力小。