摘 要：以某純電動(dòng)商用車(chē)電池框架為研究對(duì)象，應(yīng)用CAE分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理念，建立電池框架隱式參數(shù)化模型，定義零件料厚、斷面尺寸共37個(gè)變量，以電池框架性能不降低為前提，采用Isight開(kāi)展多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定料厚和斷面的最佳組合方案，完成純電動(dòng)商用車(chē)電池框架輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電池框架；隱式參數(shù)化；靜力學(xué)分析；輕量化

在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略、雙積分等政策以及市場(chǎng)需求等綜合因素驅(qū)動(dòng)下，商用車(chē)迅速向電動(dòng)化方向轉(zhuǎn)型，商用車(chē)新能源滲透率快速提升。但目前純電驅(qū)商用車(chē)整備質(zhì)量比柴油車(chē)大了1.5～2.0t，其中后電池框架質(zhì)量在500～800kg，占增加質(zhì)量的30%～40%。輕量化是新能源商用車(chē)降低整車(chē)電耗和提升續(xù)駛里程的重要途徑之一。因此，對(duì)商用車(chē)電池框架進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義[1-2]。

SFE CONCEPT軟件基于CAE分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理念，可以通過(guò)建立隱式參數(shù)化模型，在設(shè)計(jì)早期快速確定最佳的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約開(kāi)發(fā)周期成本。近年來(lái)，SFE隱式參數(shù)化建模技術(shù)在白車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用。史國(guó)宏等[3]在白車(chē)身設(shè)計(jì)初期應(yīng)用隱式參數(shù)化白車(chē)身模型，結(jié)合多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)白車(chē)身質(zhì)量減少12kg，減重率4.5%。王登峰等[4]采用SFE CONCEPT開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)，在白車(chē)身性能不降低的情況下，實(shí)現(xiàn)白車(chē)身減重19.9kg。吳鵬興等[5]建立商用車(chē)白車(chē)身隱式參數(shù)化模型，結(jié)合遺傳算法求解，在保證性能的前提下，實(shí)現(xiàn)白車(chē)身減重16.9kg。張峰等[6]建立某白車(chē)身的參數(shù)化模型，通過(guò)拓?fù)?、斷面和料厚?yōu)化，滿(mǎn)足性能的前下，實(shí)現(xiàn)白車(chē)身減重17.5kg。綜上所述，隱式參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法在白車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方面取得了比較好的效果，但在整車(chē)其他零部件設(shè)計(jì)上研究應(yīng)用較少。

本文以某純電動(dòng)商用車(chē)電池框架為研究對(duì)象，應(yīng)用CAE分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理念，建立電池框架隱式參數(shù)化模型，定義零件料厚、斷面尺寸共37個(gè)變量，以電池框架性能不降低為前提，采用ISIGHT開(kāi)展多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定料厚和斷面的最佳組合方案，完成純電動(dòng)商用車(chē)電池框架輕量化設(shè)計(jì)。

參數(shù)化模型搭建及零件材料定義

應(yīng)用SFE CONCEPT軟件，以某純電動(dòng)商用車(chē)電池框架驗(yàn)證的有限元模型為依據(jù)，建立電池框架隱式全參數(shù)化模型。為了便于模型建立，先將電池框架模型分為左框架、右框架、中框架和連接支架4個(gè)部分。再按照基點(diǎn)、基線、斷面、梁和接頭等建模步驟分別完成4個(gè)部分幾何特征構(gòu)建，接著通過(guò)映射關(guān)系或接頭將各部分裝配成總成，最后完成全部參數(shù)化模型的建立[7-9]。同時(shí)通過(guò)軟件網(wǎng)格生成功能，自動(dòng)生成滿(mǎn)足虛擬仿真分析要求的有限元模型（見(jiàn)圖1），包括零件的材料、屬性和焊點(diǎn)等信息。

電池框架結(jié)構(gòu)初始性能分析

1.電池框架模態(tài)分析

對(duì)電池框架進(jìn)行模態(tài)分析，邊界條件為約束車(chē)架區(qū)域自由度，模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

2. 初始電池框架靜態(tài)強(qiáng)度仿真分析

電池框架靜態(tài)強(qiáng)度分析需要滿(mǎn)足垂向、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)工況和加速4個(gè)工況強(qiáng)度要求。各工況下加速度數(shù)值如表2所示。

電池框架各工況應(yīng)力分布如圖2～圖５所示，在垂向沖擊工況下的最大應(yīng)力為720MPa，處于電池框架L型件與鑄件連接位置；制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力為440MPa，處于電池包框架折彎件與連接鑄件位置；轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力為334MPa，處于中間橫梁與縱梁連接處；加速工況下的最大應(yīng)力為745MPa，處于電池框架L型件與鑄件連接位置。

電池框架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)

電池框架結(jié)構(gòu)為梁結(jié)構(gòu)，梁類(lèi)零件的料厚和斷面形狀對(duì)電池框架性能有比較大的影響。因此將零件的料厚和斷面形狀作為設(shè)計(jì)優(yōu)化變量。以電池框架模態(tài)（下降≤3%）和靜態(tài)強(qiáng)度作為約束條件，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法得出設(shè)計(jì)變量的數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)約束和目標(biāo)篩選的設(shè)計(jì)變量擬合數(shù)學(xué)模型，采用ISIGHT軟件進(jìn)行多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化，求出最佳輕量化方案。SFE聯(lián)合ISIGHT輕量化如圖6所示，流程為a→b→c。

1.電池框架零部件斷面形狀變量定義

結(jié)合結(jié)構(gòu)和受力，選擇電池框架10個(gè)主要承載零件斷面作為優(yōu)化對(duì)象，如圖7所示。利用SFE CONCEPT軟件定義19個(gè)幾何變量，斷面形狀設(shè)計(jì)變量的范圍見(jiàn)表3。每個(gè)斷面可以通過(guò)2～3個(gè)參數(shù)控制形狀，驅(qū)動(dòng)SFE參數(shù)化模型調(diào)整零件幾何形狀[10]。

2. 電池框架零件料厚變量定義

結(jié)合工程分析經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合電池框架強(qiáng)度靈敏度分析[11]，選取影響最大的18個(gè)部件作為料厚優(yōu)化變量，如表4所示。

3. 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證

通過(guò)ISIGHT多目標(biāo)迭代優(yōu)化，最終確定5個(gè)斷面和9個(gè)料厚最佳輕量化優(yōu)化方案，斷面尺寸優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5， 斷面厚度優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)電池框架模型進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行模態(tài)和靜態(tài)強(qiáng)度仿真分析，驗(yàn)證優(yōu)化優(yōu)化方案性能是否滿(mǎn)足要求。表7為電池框架在輕量化優(yōu)化前后模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比，可以看出，優(yōu)化后各階模態(tài)變化在3%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足約束條件。

電池框架在輕量化優(yōu)化后不同工況下的靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果如圖8～圖11所示，輕量化方案相比原方案，轉(zhuǎn)彎工況條件下電池框架縱梁及與車(chē)架連接鑄件的最大應(yīng)力均得到下降，其他工況條件下電池框架各位置的最大應(yīng)力均有所增加，但都在安全系數(shù)以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足產(chǎn)品性能要求。

通過(guò)對(duì)電池框架關(guān)鍵零件的斷面形狀、料厚進(jìn)行優(yōu)化，在保證電池框架模態(tài)和力學(xué)性能性能基本不降低的情況下，最大限度的實(shí)現(xiàn)電池框架降重31.4kg，減重率為7.78%。

結(jié)語(yǔ)

（1）應(yīng)用CAE分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理念，在商用車(chē)某電池框架設(shè)計(jì)早期，基于SFE CONCEPT軟件，建立隱式參數(shù)化模型，將料厚和斷面作為設(shè)計(jì)變量，以性能不降低為前提，開(kāi)展多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定最佳的料厚和斷面尺寸優(yōu)化方案，最終高效的實(shí)現(xiàn)電池框架輕量化設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，可有效減少方案修改和CAE仿真的次數(shù)，大幅提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的效率。

（2）某款純電動(dòng)商用車(chē)電池框架通過(guò)采用SFE隱式參數(shù)化建模技術(shù)，定義共37個(gè)變量，通過(guò)ISIGHT多目標(biāo)優(yōu)化，在保證模態(tài)及靜態(tài)強(qiáng)度不降低的前提下，實(shí)現(xiàn)降重31.4kg，減重率7.78%，大幅提升了電池框架的輕量化水平。

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