蓄電池支架螺栓預緊力試驗對標及結構優(yōu)化

杜嘉峰，賀廷俊，陳文斐，周肖飛，莫彥彬

（陜汽集團技術中心，陜西 西安 710200）

關鍵字：蓄電池支架；預緊力；試驗對標；結構優(yōu)化

前言

蓄電池作為汽車重要的零部件，在發(fā)動機剛啟動或低速運轉時，為車內的用電設備供電[1]。蓄電池支架的作用為支撐、保護蓄電池，如果蓄電池支架的疲勞強度不合格，在長時間作用下可能導致蓄電池支架的疲勞斷裂失效，從而影響蓄電池正常工作[2]。卡車上車用蓄電池的固定方式一般通過螺栓緊固蓄電池壓板，將蓄電池固定在蓄電池支架上[3]，然而在蓄電池支架疲勞強度仿真分析中發(fā)現，施加在蓄電池支架固定螺栓的預緊力數值對疲勞強度影響較大，而且根據標準公式Tf=KFfd，其中Tf為緊固扭矩，K為扭矩系數，Ff為螺栓預緊力，d為螺栓直徑，扭矩系數K又與連接件接觸面的摩擦系數及連接件材料強度有關，因此由額定緊固扭矩換算得到的螺栓預緊力數值由于受到連接件接觸面的摩擦系數及連接件材料強度等不確定因素的影響，螺栓預緊力換算值往往過大[4]，與實際狀態(tài)明顯不符，嚴重影響仿真分析結果的準確性和可信度，無法對設計產品進行準確的仿真驗證及方案優(yōu)化。

為了解決上述問題，本文采用螺栓預緊力測量傳感器，對蓄電池壓板實際安裝的螺栓預緊力進行測量，規(guī)避連接件接觸面的摩擦系數及連接件材料強度等不確定因素對預緊力的影響，為準確的有限元仿真分析提供數據支持。在準確的預緊力輸入下，對蓄電池支架進行疲勞強度仿真分析及結構優(yōu)化設計，為蓄電池支架的仿真試驗對標及結構優(yōu)化設計提供依據。

1 螺栓預緊力測量試驗

采用螺栓預緊力測量傳感器，對蓄電池支架固定螺栓預緊力進行測量，試驗測試方法如下圖1所示。

圖1 螺栓預緊力試驗測試示意圖

將環(huán)形壓力傳感器套裝在斜拉桿上，安裝在蓄電池壓板與螺栓之間，螺栓采用M10強度為10.9級的螺栓，用扭力扳手按額定的緊固扭矩14Nm打緊螺栓，盡量避免擰緊過程中環(huán)形壓力傳感器與螺母的相對轉動，保證測量精度，重復三次測量求取平均值，測得螺栓在實際額定擰緊狀態(tài)下的預緊力為0.16kN，而通過標準公式按14Nm緊固扭矩換算得到的螺栓預緊力為9.3kN。試驗過程數據記錄見表1。

表1 預緊力測量試驗數據記錄表

2 有限元模型建立

將幾何導入到有限元分析軟件HyperMesh中，對蓄電池支架及部分車架進行抽中面與網格劃分，殼單元網格平均尺寸為10mm，配重采用rbe3+mass質量單元模擬，連接螺栓采用rbe2+beam單元模擬[5]，對固定蓄電池的四個斜拉桿分別施加試驗實測的0.16kN的預緊力，在壓板與蓄電池之間建立非線性接觸，建立的有限元模型如下圖2所示。

圖2 蓄電池支架有限元分析模型

3 預緊力試驗對標

采用Optistruct求解器提交求解計算，在試驗測量值0.16kN預緊力作用下，蓄電池壓板變形仿真結果如下圖3所示，壓板邊緣處變形量為5.36mm；在通過公式換算值9.3kN預緊力作用下，蓄電池壓板變形仿真結果如下圖4所示，壓板邊緣處變形量為8.66mm；實際狀態(tài)下蓄電池壓板的變形試驗結果如下圖5所示，相同位置實測的壓板邊緣處變形量為5.20mm，通過公式換算得到的預緊力輸入下仿真結果與試驗結果誤差為66.54%，遠大于最大允許誤差范圍5%，而通過試驗測量得到的預緊力輸入下仿真結果與試驗結果誤差僅為3.1%，小于最大允許誤差范圍5%，驗證了仿真模型的正確性與所施加的預緊力數值大小的合理性。

圖3 試驗測量預緊力作用下壓板變形仿真結果

圖4 公式換算預緊力作用下壓板變形仿真結果

圖5 預緊力作用下壓板變形試驗結果

4 疲勞強度分析

對蓄電池支架安裝點約束三個方向平動與三個方向轉動共6個自由度，同時在Z向施加±3g的循環(huán)加速度載荷，采用Optistruct與nCode求解器求解計算蓄電池支架的疲勞壽命，計算結果如下圖6所示。

圖6 蓄電池支架的疲勞壽命結果云圖

由圖6仿真結果可知，蓄電池支架的最小疲勞壽命為6.16E5次，小于最低疲勞周次1E6次，疲勞壽命不滿足設計要求，長時間運行有疲勞斷裂的風險。

5 結構優(yōu)化分析

針對蓄電池支架疲勞壽命不合格，對其進行結構優(yōu)化設計。根據疲勞壽命結果云圖可知，右后支架折彎處壽命較低，前后橫梁中部與蓄電池連接螺栓孔附近壽命較低，對局部較弱區(qū)域進行優(yōu)化改進設計，在右后支架單側增加寬度為25mm，高度為35mm，厚度為4mm的三角形加強筋，同時在前后橫梁下側增加長度為320mm，厚度為4mm，開四個直徑為13mm安裝孔的加強板，具體優(yōu)化方案如下圖7和表2所示。

圖7 結構優(yōu)化設計改進位置示意圖

表2 結構優(yōu)化方案與原方案結構形式對比

對優(yōu)化方案進行疲勞強度分析，約束與加載不變，分析 結果如下圖8所示。

圖8 結構優(yōu)化方案疲勞壽命結果云圖

由圖8仿真結果可知，優(yōu)化方案的最小疲勞壽命為2.75E7次，大于最低疲勞周次1E6次，疲勞壽命滿足設計要求。

6 結論

本文對蓄電池支架固定螺栓預緊力進行了測量及試驗對標，試驗測量預緊力輸入下仿真結果與試驗結果誤差僅為3.1%，小于最大允許誤差范圍5%，為準確的有限元仿真分析提供了數據支持。同時建立了蓄電池支架有限元仿真分析模型，在準確的預緊力輸入下，對蓄電池支架進行了疲勞強度仿真分析，并對疲勞強度不合格區(qū)域進行了結構優(yōu)化設計，最終結構優(yōu)化方案滿足了疲勞強度設計要求，為蓄電池支架的仿真試驗對標提供了依據，對結構優(yōu)化設計具有重要的參考意義。