某混動輕卡電池托架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

山東汽車制造有限公司 張志遠(yuǎn) 葉新偉 鄭樂堂

采用有限元分析法，采用HYPERMESH進(jìn)行前處理，采用OPTISTRUCT進(jìn)行模態(tài)和強(qiáng)度分析，采用HYPERVIEW進(jìn)行后處理。對原混動輕卡電池托架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明該托架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足。針對這一問題，結(jié)合電池托架應(yīng)力分布圖，對托架應(yīng)力集中的部分進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行下一輪強(qiáng)度計算，使得托架結(jié)構(gòu)滿足材料的屈服強(qiáng)度要求。

純電動輕卡是一種以動力電池作為能量來源的輕型載貨車。純電動輕卡具有排放無污染及能源利用率高的特點(diǎn)。但目前的純電動輕卡車輛續(xù)航里程還不足以滿足用戶日常需求，用戶依然會存在里程焦慮。混合動力輕卡作為純電動輕卡和傳統(tǒng)輕卡的結(jié)合體，有效地解決了電動輕卡用戶里程焦慮的問題。混動輕卡電池與純電動輕卡在電池布置形式上也有很大差別。純電動輕卡的電池包常置于車架兩側(cè)，混動輕卡對電量要求低，只需要單個電池包，將其布置在車架的一側(cè)。這就對電池包托架的結(jié)構(gòu)有較高的要求。

1 電池托架技術(shù)要求

混動輕卡不同于純電動輕卡，是傳統(tǒng)輕卡與純電動輕卡的結(jié)合體，這就使得整車零部件布置更加緊密、復(fù)雜。交錯復(fù)雜的零部件布置嚴(yán)重影響了電池托架的布置。這使得在電池托架設(shè)計過程中要充分考慮各種工況下，電池包結(jié)構(gòu)的受力情況要滿足材料的強(qiáng)度。為滿足電池托架強(qiáng)度要求以及整車布置要求，電池托架整體采用Q345B型鋼材。

電池托架整體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示：

圖1 電池托架整體結(jié)構(gòu)

該電池托架總成由兩大部分組成，分別為電池托架底板和電池托架與車架連接的連接支撐板總成，二者在其連接處采用焊接固定，電池托架如上圖1所示。電池托架底板由U型槽鋼和矩形鋼管組成，部件之間均采用焊接，U型槽鋼和矩形鋼管配有減重孔。電池托架底板與連接板之間采用焊接的連接方式與此同時，支撐結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑦B接處的集中應(yīng)力向托架底板處延伸。通過電池托架與車架連接的部分將電池托架與車架進(jìn)行固定。其中，車架縱梁腹面及下移面均有固定點(diǎn)。

2 對電池托架進(jìn)行CAE分析

對混動電池托架使用殼單元模擬，螺栓用RBE2+CBEAM單元模擬，縫焊采用RBE2單元模擬，混動電池質(zhì)量為155Kg，使用mass單元模擬。約束托架與車架安裝處的123456自由度。載荷：垂向、轉(zhuǎn)彎、制動工況加載的載荷如表1所示：

表1 各工況施加載荷表

對模型采用HYPERMESH進(jìn)行前處理；采用OPTISTRUCT進(jìn)行強(qiáng)度分析；采用HYPERVIEW進(jìn)行后處理。

圖2 轉(zhuǎn)彎、制動、垂向工況應(yīng)力云圖

托架強(qiáng)度計算時采用垂向、轉(zhuǎn)彎、制動的極限沖擊工況。在轉(zhuǎn)彎工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力為154.3MPa，最大應(yīng)力集中在托架底板與連接支撐板總成的連接處，未超過材料屈服強(qiáng)度。在垂向工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力為730.5MPa，最大應(yīng)力同樣集中在托架底板與連接支撐板總成的連接處，遠(yuǎn)超材料屈服強(qiáng)度。在制動工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力為133.0MPa，最大應(yīng)力集中在托架底板與右側(cè)連接支撐板總成的連接處，未超過材料屈服強(qiáng)度。如圖2所示。

表2 混動電池托架強(qiáng)度統(tǒng)計表

結(jié)論：綜上所述，在上述三種工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力為730.5MPa，遠(yuǎn)超出材料的屈服強(qiáng)度，出現(xiàn)在垂向工況；其他兩個工況未超出材料屈服強(qiáng)度。所以，電池托架在垂向工況下的強(qiáng)度并不能滿足要求。因此，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在垂向工況下，混動電池托架所受最大應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度。且應(yīng)力均集中在托架底板與連接板的焊接處，而整個電池托架底盤所受的應(yīng)力很小。因此，設(shè)法在兩側(cè)添加側(cè)邊支撐板，側(cè)邊支撐板與電池托架底板采用焊接的方式固定。這樣一來，集中在連接處的應(yīng)力能夠有效地分散到整個電池托架底板，能夠有效地解決連接處應(yīng)力過大的問題。所以，根據(jù)CAE分析結(jié)果對電池包托架進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，考慮增加側(cè)邊支撐。

優(yōu)化后的電池托架如圖3所示：

圖3 優(yōu)化后的電池托架示意圖

4 優(yōu)化后的電池托架CAE分析

對優(yōu)化后的電池托架采取同樣的方法進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如下：

在垂向工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力為226.2MPa，未超過材料屈服強(qiáng)度。增加了側(cè)邊支撐板后，垂向沖擊工況下托架底板連接處的應(yīng)力不在集中，所受最大應(yīng)力集中在側(cè)邊支撐板上部折彎處，但未超出材料的屈服強(qiáng)度。

在轉(zhuǎn)彎工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力僅為58.5MPa，應(yīng)力主要集中在托架縱梁中心處，未超過材料屈服強(qiáng)度（托架材料Q345，屈服強(qiáng)度345MPa）。

在制動工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力為72.6MPa，最大應(yīng)力主要集中在電池托架與車架縱梁下移面螺栓安裝孔處，未超過材料屈服強(qiáng)度（托架材料Q345，屈服強(qiáng)度345MPa）。

圖4 優(yōu)化后的電池托架制動工況應(yīng)力云圖

結(jié)論：在上述三種工況下，混動電池托架的最大應(yīng)力為226.2MPa，出現(xiàn)在垂向工況；三種工況下未超出材料屈服強(qiáng)度。

表3 優(yōu)化后的混動電池托架強(qiáng)度統(tǒng)計表

總結(jié)：優(yōu)化前的電池托架與優(yōu)化后的電池托架轉(zhuǎn)彎、制動工況所受應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，優(yōu)化后的電池托架轉(zhuǎn)彎、制動工況所受應(yīng)力相較于優(yōu)化前有所降低。優(yōu)化前的電池托架與優(yōu)化后的電池托架垂向工況下的受力差距明顯，電池托架的最大應(yīng)力由730.5MPa降到226.2MPa，滿足材料Q345B的屈服強(qiáng)度。