電池托架有限元分析與輕量化研究

何寄平 ，張沛，鐵巍巍，郭海樂

(鄭州宇通重工有限公司，河南鄭州 450000)

0 引言

截至2019 年6 月，我國新能源汽車保有量達344萬輛[1]。各大主機廠均在進行純電底盤的研發(fā)，目前行業(yè)內(nèi)做得比較好的是比亞迪和宇通。電池托架作為純電底盤的核心部件，其承載著電池、控制器以及蓄電池艙體等零部件，為了滿足強度性能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計一般比較笨重，具備輕量化空間。試驗表明，汽車的質(zhì)量每減少10%，能量消耗就隨之減少6%～8%[2]。本文作者以8 t平臺純電底盤電池托架為研究對象，建立有限元分析模型，對其強度性能進行評估，通過更換高強鋼材質(zhì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法，在滿足強度性能要求的情況下，實現(xiàn)輕量化降重，研究出一條電池托架輕量化設(shè)計的可行途徑，對于整車的承載能力提升和續(xù)航能力提升意義重大。

1 電池托架強度性能有限元分析

1.1 三維模型建立

首先根據(jù)二維圖紙建立電池托架的三維數(shù)模，三維數(shù)模如圖1所示，電池托架共分4層，每層放置一塊電池，共計5塊。在電池托架1處放置2塊蓄電池，2處布置4個連接座與車架連接，3處放置各種控制器。

圖1 電池托架三維模型

1.2 有限元分析模型建立

電池托架的材料選用見表1，使用510L材料。電池托架的工況主要是行駛沖擊工況，沖擊工況安全系數(shù)為2.8，因此型材許用應力為沖擊127 MPa。文中首先對電池架進行有限元網(wǎng)格模型建立，然后加載邊界條件和載荷對其進行計算，建立有限元分析模型，如圖2所示，其中電池簡化為質(zhì)量塊加載，蓄電池和控制器簡化為質(zhì)量點加載。

表1 材料數(shù)據(jù)

圖2 電池托架有限元分析模型

1.3 結(jié)構(gòu)強度性能評估

對其進行分析計算，得出其分析結(jié)果見表2。從結(jié)果可看出電池托架的最大應力為70 MPa，低于許用應力127 MPa，安全系數(shù)分別為5.07，遠遠高于2.8。可見強度富余，具有輕量化空間。應力結(jié)果云紋如圖3所示。

表2 分析結(jié)果

圖3 應力結(jié)果云紋

2 輕量化研究

2.1 使用高強鋼降重

目前型材矩形管使用最多的是510L材料，此材料的屈服強度為355 MPa。為了實現(xiàn)對電池架的降重，采用了一種高強鋼的矩形管，其屈服強度達到了700 MPa，遠遠高于510L的355 MPa。因此可以將矩形管的厚度由3 mm減為1.5 mm，實現(xiàn)降重30 kg。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化降重

對于強度富余部分，對電池托架做了以下優(yōu)化改進:(1)所有U形直件厚度由3 mm減薄至2 mm。(2)在電池托架2處前后框架加斜撐矩形管加強。(3)電池托架多余的兩根矩形管3處去除。(4)在頂層加兩根矩管4處加強。經(jīng)過以上優(yōu)化改進后實現(xiàn)降重24 kg，如圖4所示。

圖4 電池托架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度性能評估

優(yōu)化后對其進行有限元分析計算，得出其分析結(jié)果見表3，應力結(jié)果云紋圖如圖5所示。從結(jié)果可看出矩形管最大應力為58 MPa，安全系數(shù)為12.07，遠遠高于2.8;510L板材最大應力為95 MPa，安全系數(shù)為3.73，高于2.8。可見強度滿足設(shè)計要求。

圖5 輕量化結(jié)構(gòu)應力結(jié)果云紋

4 結(jié)論

文中以8 t平臺純電底盤電池托架為研究對象，建立了有限元分析模型，通過對其強度性能評估，發(fā)現(xiàn)其具備輕量化的空間。通過使用高強鋼和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計等方法，實現(xiàn)降重54 kg。輕量化結(jié)構(gòu)經(jīng)過強度評估后滿足設(shè)計要求。輕量化降重的成功，研發(fā)出了一條電池托架輕量化設(shè)計的可行方案。