基于OptiStruct拓撲優化的新能源電動汽車電池箱蓋輕量化設計

單豐武 譚敦厚 林靜

1.江鈴集團新能源汽車有限公司 江西省南昌市 330013 2.湖南三合汽車新材料有限公司 湖南省長沙市 410323

1 概述

隨著新能源汽車迅速發展，提高續航里程成了亟需解決的問題，對于純電動汽車，重量每減少10%，續航里程可以增加8%左右[1]。前不久，《中國制造2025》也將輕量化列為汽車重點發展方向之一。減重對于新能源汽車具有重要意義，已經上升到國家戰略層面。汽車輕量化可以從兩個方面入手，一是材料輕量化，二是結構輕量化。由于SMC復合材料具有質輕、耐高溫、尺寸穩定性好、生產效率高和優異的耐腐蝕性能，已經成為電動汽車蓄電池箱蓋的制造材質之一。本文的研究對象為某款使用SMC材料的新能源汽車電池箱蓋，研究重點為結構的輕量化設計，因此這里不再對SMC材料作進一步探討。

目前有限元分析已經在工程上得到廣泛應用，該技術也在驗證過程發展越來越成熟。其中，OptiStruct作為一款功能強大的結構優化求解器，已經積累了大量應用實例，提供全面的優化方法：拓撲優化、形貌優化、自由尺寸優化、尺寸優化、形狀優化和自由形狀優化。本文利用其拓撲優化功能，對電池箱蓋進行輕量化設計，試圖設計出重量最輕的結構。

2 電池箱蓋結構

本文針對新能源電動汽車的某款動力蓄電池箱蓋進行結構優化，該電池箱蓋原結構如圖1和圖2所示，整體壁厚3mm，法蘭邊5mm，局部加強厚度8mm，法蘭邊上設有螺栓孔與底座安裝，設計重量為7.337kg。

圖1 電池箱蓋外側視圖

圖2 電池箱蓋內側視圖

為保證電池箱蓋的結構能得到最大優化，舍棄現有的電池箱蓋結構，找出電池箱蓋的可設計空間，在此空間的基礎上進行優化將重量降至最低。

由于電池箱蓋沒有與其他部件連接，僅與底座裝配后形成整體密封的結構，因此，將底座和內部電池組空間（如圖3所示）挖去后就得到了電池箱蓋的內部設計空間。

電池箱蓋的外部界面尺寸沿用原結構，以免引起電池包在車身裝配后與其他部件干涉，最后得到的設計空間如圖4所示，結合圖2可以看出設計空間已將原結構覆蓋。

圖3 電池包的底座和電池組

圖4 電池箱蓋可設計空間

3 有限元模型建立

由于電池箱蓋有密封要求，因此采用殼單元建立有限元模型，并通過設置最小的壁厚可避免結構上出現孔洞。結構上厚度相差較大，抽取中面后結果并不理想，改為提取電池箱蓋外表面，根據厚度進行切割并分組。利用HyperMesh的automesh功能對面進行網格劃分，網格尺寸為5，調整局部質量較差的網格后，總共產生76458個單元和76926個節點。

法蘭邊需安裝螺栓孔，厚度為5mm，不進行優化。設計空間最薄的地方在電池組上方，厚度3.5mm，為加快優化進程，其余部分厚度超過8mm的區域分到同一個component下，初始厚度設置為8mm，最終的有限元網格模型如圖5所示。

圖5 電池箱蓋初始有限元模型

4 電池箱蓋的優化分析

整車設計中需對電池箱蓋進行模態分析，模態分析可以確定電池箱蓋結構的固有頻率和振型，供設計人員在設計時避開這些頻率，防止共振的產生。計算時約束螺栓孔的平動，分析類型選擇normal modes，為了減少計算時間和計算量，只輸出第一階模態的頻率即可[2]。

普通客車路面激勵約為0～10Hz，再加上發動機、風阻和傳動系統振動等，因此電池箱蓋的頻率不得小于30Hz[3]。

通過OptiStruct對電池箱蓋進行優化，進入topology面板創建拓撲優化設計變量，設計變量為3.5mm和8mm厚的區域，如圖5所示，為保證電池箱蓋具有密封性，設置優化后的最小壁厚為2mm；通過MIMDIM參數設置最小單元尺寸，最小成員尺寸一般為單元平均尺寸的3倍，由于計算模型單元質量較好，這里輸入10即可[4]。

考慮優化后的形狀需要進行調整，以及計算和實際的頻率有誤差，將一階模態頻率約束在35Hz以上，優化目標設置為質量最小。

優化分析在迭代20次后完成，如圖6所示，最后一步優化的重量為6.31kg，該重量僅僅是有限元模型的重量，最終的重量需要在完成結構修改并建立完整的幾何模型后確認。

5 優化結果

通過HyperView打開計算結果，查看電池箱蓋的密度云圖，如圖7所示，由于法蘭邊不參與拓撲優化，這里只顯示設計區域的密度云圖。從圖中可以看出電池箱蓋四周的中間部分保留了原始厚度，中間有一條橫向區域密度較高，該區域是現有結構加強筋的位置。

將優化結果導入HyperMesh，對初始計算模型進行修改，修改遵循兩個原則：（1）用直線對電池箱蓋的幾何模型進行切割；（2）保證切割后的區域盡量覆蓋優化后的高密度區域。最終的有限元模型如圖8所示。

圖6 質量-迭代步曲線

圖7 密度云圖

圖8 調整后的有限模型

為驗證該結構是否滿足使用要求，使用圖8中的有限元模型進行模態分析，提取一階模態，頻率為33.8Hz，比設置的最小約束頻率略低（35Hz），但是大于30Hz，滿足初始的設計要求。

從最終的有限元模型中輸出幾何面，并導入設計軟件重新繪制電池箱蓋，添加制造特征后電池箱蓋的數模如圖10所示，輸出該模型并在設計軟件中進行試裝配，滿足要求，確定該結構為最終優化結構，統計其重量為6.558kg，比最后一步優化的有限元模型（6.31kg）重3.9%，可見OptiStruct優化后的有限元模型重量具有較高的參考價值。

6 結語

本文通過OptiStruct對某型號電池箱蓋進行拓撲優化，并對電池箱蓋重新設計，優化后的結構（6.558kg）比原結構（7.337kg）減重10.6%；結構的輕量化設計應該摒棄現有結構和造型，從初始的設計條件入手，找出可設計空間，在此基礎上進行優化；對于有密封要求的結構，建議采用殼單元進行分析；優化后的結果通常形狀復雜，不利于生產且增加設計工作量和制造成本，需要手動調整到可接受形狀；分析前應該考慮此調整帶來的影響，適當提高約束條件，本文將設計要求中一階模態的頻率從30Hz提高到35Hz作為約束條件，使最終結構滿足設計要求；在最終的結構尚未完成的情況下，可暫時用優化的有限元模型來評估其重量。

圖9 最終結構的一階模態

圖10 優化后的電池箱蓋