基于HyperWorks的某動力電池總成殼體結構優化技術

趙久志，夏順禮，劉濤，張寶鑫

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

基于HyperWorks的某動力電池總成殼體結構優化技術

趙久志，夏順禮，劉濤，張寶鑫

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

在某電動車基礎之上設計一種動力電池總成的殼體結構。在考慮到動力電池總成殼體結構輕量化的前提下，使用HyperWorks軟件對動力電池總成殼體結構的模型進行了網格劃分、ACM焊點連接模擬、仿真分析，通過仿真分析的結果對殼體結構的焊點位置進行優化。最后再通過動力電池總成的振動試驗證明，優化后的殼體結構滿足整車強度要求，大大提高了設計效率，進而節約了產品的研發成本。

動力電池總成殼體結構；HyperWorks；ACM焊點

CLC NO.:U469.72+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-23-04

引言

隨著石油資源的日益緊缺，新能源汽車的發展變得愈加重要，在這種背景下，全球許多汽車企業都投入了較大精力來開展新能源汽車的技術研發，動力電池做為新能源汽車的核心零部件，其技術水平將直接決定著的新能源汽車的發展方向。根據新能源汽車的開發項目要求，動力電池總成不僅應能提供車輛正常行駛的動力，還應確保其在全壽命周期的可靠性、耐久性和安全性，因此為確保動力電池總成的可靠性、耐久性和安全性，首先必需要確保承載動力電池總成的殼體結構強度能夠滿足整車的開發需求。本文就某純電動轎車動力電池總成的殼體結構如何實現優化設計展開了具體的分析和討論，以下是具體的說明。

1、動力電池總成殼體結構設計

設計一種動力電池總成殼體結構在保證占用整車空間不大的基礎上，合理地將動力電池總成分布在整車的底部和座椅的下方，該種動力電池總成的布置方式使整車載荷的分布更加合理，有效的保證了整車制動性、轉向性能以及操穩性。

圖1 動力電池總成模型示意圖Fig.1 A model for the power battery assembly

圖2 動力電池總成殼體結構模型示意圖Fig.2 Power battery assembly model for the shell structure

動力電池總成殼體結構是由內膽、內橫梁和外橫梁三大部分焊接而成，其中內膽的材料為DC04，由沖壓工藝加工而成，而內橫梁和外橫梁的材料均為B340，同樣采用沖壓工藝加工而成。裝配時，先將上述左側電池模組、右側電池模組和后部電池模組分別通過螺栓連接的方式固定在殼體結構上組裝成動力電池總成，再將動力電池總成同樣通過螺栓連接的方式固定在車身上。下面是對動力電池總成殼體結構優化設計的具體說明[2]。

2、 動力電池總成殼體結構設計優化

2.1 流程框圖（見圖3）

圖3 流程框圖Fig.3 The process diagram

2.2 動力電池總成殼體結構強度分析

隨著有限元分析技術能力的提高，各種計算機輔助設計分析軟件為汽車車身設計提供了一個技術平臺，極大地方便了汽車的設計。動力電池總成殼體結構作為汽車最重要的組成部分之一，直接影響汽車的整車靜態、動態性能。點焊是動力電池總成殼體結構常用的一種連接方式，對這種結構進行有限元分析必須建立相應的點焊模型。對于由幾百個焊點連接而成的動力電池總成殼體結構來說，焊點的有限元建模技術是保證計算結果具有較高精度的關鍵技術。由于動力電池總成殼體結構具有焊點數目多、空間曲面復雜及幾何特征多等特點，要建立精確的動力電池總成殼體結構模型極為困難。在建模時，一般都會對動力電池總成殼體結構進行了簡化處理，目前常用的焊點建模方法有：節點與節點之間以CBAR單元直接連接來模擬焊接關系，以及用實現單元面對面連接的ACM、CWELD單元來模擬焊點的連接[3][4][5]。

本文基于HyperWorks有限元前處理比較常用的ACM焊點模擬方法來研究探討不同焊點布置對動力電池總成殼體結構強度的影響，即通過優化焊點位置的方式來解決動力電池總成殼體結構強度不足的問題，從而為動力電池總成殼體結構設計提供技術解決方向。

動力電池總成殼體結構分析模型如圖4所示，動力電池總成布置在整車的底部和座椅的下方，具體重量分布如下：動力電池總成殼體結構重量46.5KG、后部電池模組的重量為96Kg、左側電池模組和右側電池模組的重量均為38Kg。表1為對分析工況及邊界條件的具體說明。

表1 分析工況Table 1 Analysis of working condition

接下來考察垂直沖擊工況的應力分布情況，先通過HyperMesh對導入的數模以殼單元的形式進行網格劃分，設置Elem Size=3，Mesh Type為Mixed，網格劃分方式為手動(具體操作為抽中面、幾何清理等)，網格處理好后再定義Com-ponents的材料屬性steel，彈性模量為2.1e+05、泊松比為0.3、密度為7.89e-09等，再導入殼體結構的焊點數模，生成ACM焊接連接模型，具體設置參數如下：Type選acm，Num layers 選total2，FE Configs為Custom，FE Type為Optistruct 70ACM，接下來再進行載荷施加、邊界條件設定，最后運行OptiStruct并在HyperView中觀察動力電池總成殼體結構在表1中垂直沖擊工況下的應力分析結果[1]。

圖5 內膽應力云圖Fig.5 Inner stress nephogram

圖6 內橫梁應力云圖Fig.6 The beam stress nephogram

圖7 外橫梁應力云圖Fig.7 Outside the beam stress nephogram

從上圖5內膽的應力云圖中可以看出模型的應力最大值達到366.29Mpa；從上圖6內橫梁的應力云圖中可以看出模型的應力最大值達到201.67Mpa；從上圖7從外橫梁的應力云圖中可以看出模型的應力最大值達到271.93Mpa。

將以上圖5至圖7的分析結果匯總如表2所示，單位Mpa。

從表2中可以看出動力電池總成殼體結構的內膽在垂直沖擊工況的實際安全系數低于目標安全系數，不滿足整車的強度要求，經分析該問題是由于2個焊點與凹槽位置太近造成的。基于該問題，在滿足整車給定的動力電池總成殼體結構的總重量不大于46.5kg的前提條件下，從殼體結構的焊接工藝上進行優化，決定將該2個焊點移至設計上可允許的距凹槽位置的最大位移處。

表2 優化前分析結果匯總Table 2 The results of the analysis summary before optimization

圖8 內膽焊點優化前應力云圖Fig.8 Bladder solder joint stress nephogram before optimization

圖9 內膽焊點優化后應力云圖Fig.9 Bladder solder joint stress nephogram after optimization

從上圖8和圖9內膽的應力云圖中可以看出，優化2個焊點的位移后，內膽應力的最大值已降至305Mpa，該應力值完全滿足目標設計要求，具體結果如表3中所示。

表3 優化后分析結果匯總Table3 the optimized analysis results summary

圖10 進行振動試驗的動力電池總成Fig.10 For vibration test of power battery assembly

圖10為在振動臺架上進行振動試驗的動力電池總成，經過試驗驗證焊點位置優化后的動力電池總成殼體結構完全滿足整車的強度要求。

3、結束語

本文就如何利用HyperWorks軟件進行強度分析展開了具體的論述：即先用HyperWorks軟件的前處理工具HyperMesh對動力電池總成殼體結構進行網格劃分、ACM焊點連接模擬，再用HyperWorks軟件的后處理工具進行求解、分析，接著通過HyperWorks的強度分析結果對動力電池總成殼體結構的焊點布置進行設計優化，最后再通過動力電池總成的振動試驗加以驗證。總之，該種借助于仿真分析軟件的正向開發技術為產品設計提供了非常有價值的理論分析依據，進而提高了產品的設計效率。

[1] 劉濤.基于HyperWorks的某動力電池總成固定支架結構優化技術[J].農業裝備與車輛工程,2016(05)：78-81.

[2] 李成.CATIA V5從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[3] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].北京:機械工業出版社.2007.

[4] 李楚琳,張勝蘭,馮櫻,等.HyperWorks分析應用實例[M].北京:機械工業出版社,2007.

[5] 夏湯忠,劉文華,陸志成,等..ACM焊點模型對轎車車身整體一階扭轉模態的影響分析[J].汽車科技,2013(05):46-50.

A power battery assembly based on HyperWorks shell structure optimization techniques

Zhao Jiuzhi, Xia Shunli, Liu Tao, Zhan Baoxin
（Technical center, Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

Based on an electric design of a power battery assembly shell structure. In considering the power battery assembly shell structure under the premise of lightweight, use HyperWorks software for power battery assembly model of shell structure meshing, ACM solder connection simulation and the simulation analysis, the simulation analysis results of the solder joint position of shell structure is optimized. Finally, based on the vibration of the power battery assembly test proves that the optimized shell structure meeting the strength requirement, improve the design efficiency greatly, thus saving the product research and development costs.

Power battery assembly shell structure; HyperWorks; ACM solder joints

U469.72+2

A

1671-7988(2016)07-23-04

趙久志，就職于安徽江淮汽車技術中心新能源汽車研究院電池系統部。主要從事電動汽車電池系統的設計研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.008