基于HyperWorks的某電池總成抗振性能優(yōu)化技術(shù)

趙久志

摘 要：本文使用HyperWorks分析并優(yōu)化某電池總成結(jié)構(gòu)提高其抗振性能。首先建立有限元模型、分析工況設定PSD載荷、進行受力分析、提出優(yōu)化方案，再通過受力分析和Abaqus進行模態(tài)分析，結(jié)合實際情況選取方案。最后對優(yōu)化的電池總成進行臺架振動試驗，結(jié)果表明本電池總成經(jīng)過優(yōu)化后的部件滿足整車振動要求，提前規(guī)避試驗風險，縮短了項目周期，降低了研發(fā)成本。

關鍵詞：電池總成;HyperWorks;Abaqus

1 引言

電池總成作為電動汽車的重要儲能單元，會遇到各種復雜的工況，這需電池總成具備足夠的抗振性能。電池總成部件眾多且結(jié)構(gòu)極為復雜，用戶使用車輛后反饋的電池總成問題很多，但很多問題無法通過肉眼直接識別。因此，在設計階段通過仿真等方式發(fā)現(xiàn)并改進風險點，將縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 建立有限元模型

電池總成包括模組、殼體、電子元件和線束。考慮整車續(xù)航里程、輕量化設計和空間利用率等需求，通常將電池總成設計成結(jié)構(gòu)規(guī)則的整體布置于汽車底盤下方，并對電池總成進行輕量化設計，見圖1。

如圖1所示，在不影響計算精度的前提下，利用CATIA構(gòu)建電池總成簡化的數(shù)據(jù)模型。本電池總成的模組分為高模組和低模組;模組的左右兩側(cè)通過C形鈑金限位并使用長螺桿貫穿緊固;模組與殼體底部通過L形鈑金固定連接。然后設置電池模組和殼體的網(wǎng)格屬性為8點六面體C3D8R，L形鈑金和C形鈑金的網(wǎng)格屬性為4點殼單元S4R，根據(jù)實際應用情況設置各部件的材料屬性，并使用殼單元和點Coup模擬各單元的連接方式。通過Hyperworks內(nèi)的Hypermesh模塊對各個部件進行網(wǎng)格劃分，得出如圖2所示的有限元網(wǎng)格模型[1]。

3 隨機振動分析

3.1 設定工況

如圖3所示，為國家強制標準《電動汽車用鋰離子動力電池安全要求與試驗方法》中所規(guī)定的功率譜密度曲線，即PSD曲線。設定電池總成的PSD掃頻區(qū)間為5～200Hz，Z、X和Y方向加速度均方根分別為0.64g、0.5g和0.45g。根據(jù)電池總成的實際安裝情況，設置殼體外圍的6個固定安裝孔為本仿真的邊界條件，然后利用Hyperworks內(nèi)HyperView模塊進行仿真。

3.2 仿真分析

如圖4所示，為本電池總成Z向振動仿真結(jié)果，X和Y向受力情況與之相似。有上圖可得，高模組的前后夾板和L形鈑金在焊接區(qū)域和C形鈑金的螺孔安裝區(qū)域的受力超過材料的屈服極限，使零件失效[1]。

4 優(yōu)化方案分析

4.1 提出優(yōu)化方案

根據(jù)式（1）和（2）可得，振幅X與剛度系數(shù)K成正比，與剛度系數(shù)K成反比。振幅越小，共振頻率越高，則結(jié)構(gòu)的抗振性能越好。因此，需提高系統(tǒng)的剛度系數(shù)。優(yōu)化方案如圖5所示：方案一在前后夾板側(cè)壁增加支架結(jié)構(gòu);方案二將C形鈑金中間梁加厚3mm;方案三在前后夾板下端兩側(cè)增加安裝點[2][3]。

3.2 方案分析

根據(jù)上述提出的優(yōu)化方案，修改模型，使用HyperView對各方案進行受力分析，并使用Abaqus對各方案逐個進行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖6和圖7所示。

由上圖可得，所有方案的受力效果順序為：方案二>方案三≈方案一>原方案，共振頻率排序為：方案二>方案三>方案一>原方案。方案三的優(yōu)化效果最明顯，但本方案須對零件進行重新開模，使得研發(fā)成本增加，并且加厚C形鈑金也增加了電池總成的整體重量。因此，采用方案二為最終優(yōu)化方案。

5 試驗驗證

參照ISO 6469 《電動道路車輛--安全規(guī)范》所規(guī)定的蓄電池包或系統(tǒng)振動試驗方法，對本電池總成進行振動試驗。如圖8所示，將電池總成通過工裝牢靠固定于振動臺架上，再根據(jù)振動試驗標準對Z、Y和X軸三個方向進行12h隨機振動和1h定頻振動，并制定相應的振動參數(shù)。

試驗過程中保持上位機監(jiān)控狀態(tài)，在振動試驗結(jié)束過后，將電池總成靜置兩小時，然后打開電池殼體。拆包后的排查結(jié)果顯示：前后夾板、L形鈑金和C形鈑金無開裂;采用鋁極耳的電池模組內(nèi)部的極耳焊接處出現(xiàn)斷裂，而采用鎳極耳的電池模組表現(xiàn)正常;單體電池無泄漏、電池殼體無破裂;鎳極耳模組、線束和水管等主體驗證項表現(xiàn)正常。忽略鈑金手工件和鋁極耳模組的影響，本電池總成振動試驗視為通過。

6 結(jié)束語

本文就如何利用HyperMesh軟件進行有限元分析電池總成的振動風險點，通過結(jié)構(gòu)的抗振原理提出優(yōu)化方案，然后對比各方案的受力情況和固有頻率，選擇技術(shù)方案，再通過試驗驗證優(yōu)化后的電池總成是否滿足振動要求。通過仿真軟件提前排查設計風險點已經(jīng)成為當前正向開發(fā)行業(yè)的趨勢，可有效的提高產(chǎn)品的研發(fā)速度，隨著仿真技術(shù)的不斷進步，仿真結(jié)果將在產(chǎn)品設計中占主導作用。

參考文獻：

[1]楊書建.電動汽車電池箱動靜態(tài)特性分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[D].湖南大學，2012.

[2]張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]劉濤.基于HyperWorks的某動力電池總成固定支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016（05）：78-81.