李晴，何鋒，蔣雪生，陳海

（1.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.550025 貴州省 貴陽市 貴州長江有限公司）

0 引言

全鋁車身純電動(dòng)客車為了滿足續(xù)航要求搭載了大質(zhì)量的電池模組，導(dǎo)致承載電池模組的電池架結(jié)構(gòu)笨重[1]。針對(duì)上述問題，需要進(jìn)行電池架輕量化設(shè)計(jì)，使電池架的結(jié)構(gòu)更加合理。

為實(shí)現(xiàn)客車的輕量化，有關(guān)客車車身及其零部件的研究中，柴冬梅[2]等在全鋼客車模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行全鋁車體骨架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和靈敏度分析，優(yōu)化后全鋁車體骨架性能參數(shù)不低于全鋼車體骨架的情況下，減輕了車身質(zhì)量；朱永棚[3]等在對(duì)某輕型客車全鋁后橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，去除一些剛強(qiáng)度冗余的部分，在滿足剛強(qiáng)度所需基礎(chǔ)上，后橋質(zhì)量得到了減輕；楊布堯[4]使用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)電池架進(jìn)行改進(jìn)，使電池托架位移和應(yīng)力有明顯下降，并且實(shí)現(xiàn)了減重；何寄平[5]等使用高強(qiáng)度鋼和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)了底盤電池托架的減重。

本文在保證剛強(qiáng)度和模態(tài)性能的基礎(chǔ)上，采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對(duì)電池架進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究。以某全鋁車身純電動(dòng)客車電池架為研究對(duì)象進(jìn)行有限元分析，結(jié)合分析結(jié)果，采用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。對(duì)比分析優(yōu)化前后電池架性能和質(zhì)量，驗(yàn)證優(yōu)化后電池架的正確性。

1 純電動(dòng)客車電池架有限元分析

1.1 電池架幾何模型建立

以某款純電動(dòng)全鋁客車電池架為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，去除電池架模型表面的孔、圓角等幾何特征。建立簡化后的電池架三維模型，如圖1 所示。

圖1 電池架三維模型Fig.1 3D model of battery rack

1.2 電池架有限元模型建立

將簡化后的三維模型導(dǎo)入HyperMesh 中，抽取中面并進(jìn)行中面修復(fù)，然后采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，調(diào)整不合格網(wǎng)格。網(wǎng)格單元尺寸5 mm，共333 923 個(gè)網(wǎng)格單元。材料主要性能參數(shù)見表1。測(cè)得的電池架質(zhì)量為87.28 kg。

表1 鋁合金6061T6 材料參數(shù)Tab.1 Aluminum alloy 6061T6 material parameters

1.3 邊界條件及載荷工況

電池架承受的載荷主要是來源于電池包，每層電池架放置2 個(gè)電池包,每個(gè)電池包質(zhì)量250 kg,共計(jì)6 個(gè)電池包。約束電池架各端3 個(gè)自由度，即沿X，Y，Z 三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。因垂直沖擊工況對(duì)電池架影響最大，所以本文選取此工況，結(jié)合實(shí)際情況，安全系數(shù)取3。

1.4 有限元分析結(jié)果

從圖2 和圖3 可以看出，該工況下最大應(yīng)力為91.28 MPa，最大位移為2.096 mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿之間的焊點(diǎn)處。通過計(jì)算可以得到電池架的安全系數(shù)為2.96，基本符合要求。從圖4 可以得到電池架1 階非剛性自由模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率為4.468 Hz。已知客車行駛過程中路面激振頻率不大于3 Hz,該電池架能有效避開路面激勵(lì)源的激勵(lì)。

圖2 電池架應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of battery rack

圖3 電池架位移云圖Fig.3 Cloud map of battery rack displacement

圖4 電池架一階非剛性自由模態(tài)Fig.4 First order non-rigid free mode for battery rack

2 純電動(dòng)客車電池架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 電池架拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

本文利用變密度法，以電池架有限元模型每個(gè)單元的密度作為設(shè)計(jì)變量[6]，以電池架有限元模型的材料體積作為約束條件，以材料的柔度最小作為目標(biāo)函數(shù)，建立的數(shù)學(xué)模型為：

式中：ηi——單元密度；fi——外部載荷；ui——單元位移；Ω——設(shè)計(jì)空間；V——結(jié)構(gòu)體積；V0——原始結(jié)構(gòu)體積；f——體積系數(shù)；ε——設(shè)定的單位密度刪除標(biāo)準(zhǔn)；F——載荷列陣；K——總剛度矩陣；U——位移列陣。

2.2 電池架拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型的建立

從上文中的應(yīng)力位移分析可以得出，應(yīng)力位移集中部位大多分布在各層連接處，故針對(duì)各層進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以獲取更合適的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化區(qū)域如圖5 所示。

圖5 電池架拓?fù)淠Ｐ虵ig.5 Battery rack topology model

2.3 電池架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

利用OptiStuct 對(duì)優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)44 次迭代結(jié)果收斂。

從圖6 拓?fù)鋬?yōu)化過程中柔度的變化可以看出，在整個(gè)電池架迭代過程中，柔度下降且逐漸趨于平穩(wěn)，證明該迭代過程是有效的。優(yōu)化后的單元密度云圖如圖7 所示，拓?fù)鋮^(qū)域保留的部分為承載明顯的部分，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)給予一定程度上的保留。

圖6 柔度曲線Fig.6 Compliance curve

圖7 電池架拓?fù)鋬?yōu)化云圖Fig.7 Cloud map of battery rack topology optimization

2.4 電池架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮到實(shí)際工藝要求，以拓?fù)浣Y(jié)果為依據(jù)，將原電池架每層的橫梁替換為矩形鋼管，并每層增加2 根矩形鋼管，如圖8 所示。

圖8 電池架結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.8 Optimized battery rack structure

2.5 電池架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有限元分析驗(yàn)證

從圖9 和圖10 可以看出，優(yōu)化后最大應(yīng)力為86.42 MPa，最大位移1.702 mm，計(jì)算得安全系數(shù)為3.12。優(yōu)化后的電池架較優(yōu)化前的最大應(yīng)力下降4.86 MPa，最大位移減少0.394 mm，質(zhì)量減輕17.86 kg。從圖11 得出改進(jìn)后電池架1 階非剛性模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率有所提高。具體對(duì)比結(jié)果見表3?？梢?，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)優(yōu)于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)。

圖9 電池架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of battery rack structure after optimization

圖10 電池架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of optimized battery rack structure

圖11 電池架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后一階非剛性自由模態(tài)Fig.11 First order non-rigid free mode after optimization of battery rack structure

表3 電池架優(yōu)化前后性能對(duì)比Tab.3 Performance comparison of battery rack before and after optimization

3 結(jié)論

以某純電動(dòng)全鋁客車的電池架為研究對(duì)象，采用有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對(duì)電池架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

（1）優(yōu)化后的電池架最大應(yīng)力減少5.32%,，最大位移減少18.80%，1 階非剛性模態(tài)提高11.62%，實(shí)現(xiàn)了電池架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；

（2）優(yōu)化后的電池架的質(zhì)量較原來的質(zhì)量減少了20.46%，實(shí)現(xiàn)了電池架的輕量化。