某車型純電汽車動力大支架強度優化分析

王雨，王圣波，羊定侯，劉鋼

(1. 一汽海馬汽車有限公司，海南 海口 570216；2. 海南職業技術學院 工業與信息學院，海南 海口 570216)

0 引言

傳統的汽車動力系統是指由發動機產生的動力，經一系列的動力傳遞，最終傳到車輪的整個機械傳動過程[1]。純電動汽車的動力系統主要包括三部分：動力源、驅動系統和電力電子系統。電機驅動部分有兩種方式，一種是集中式驅動，一輛車就一個驅動電機；另一種是多電機，屬于分布式驅動。電力電子部件的位置或連接方式直接決定了系統的具體構型，動力系統的連接方式不同，整體構型也就不同。總而言之，不管哪種類型的動力系統，電驅動系統都是它們的核心[2]。搭載動力系統總成的大支架作為汽車結構的重要零部件，在動力系統中起著重要的連接作用。動力大支架下端連接的驅動系統主要包括水泵、驅動電機、減速器和壓縮機。動力大支架上端連接的電力電子系統主要包括副水箱、動力控制單元和車載充電器等，如圖1所示。動力總成大支架的結構強度設計是否合理，直接影響到純電動車的使用壽命和制造成本，關系到車輛的駕駛安全和市場口碑。

圖1 動力大支架系統

隨著有限元技術的快速發展以及計算機硬件技術的不斷進步，有限元技術廣泛應用在車架等汽車零部件的設計分析中[3-5]。本文對某車型新開發純電動汽車搭載動力總成的動力大支架進行結構強度仿真，針對初始動力大支架的強度分析結果不滿足材料強度要求問題，對該支架進行結構優化，使其結構強度最終滿足設計要求。本文使用的軟件及處理方式主要有：1)在前處理軟件平臺HyperMesh進行有限元(finite element，FE)模型搭建；2)求解器應用Nastran進行強度分析求解；3)計算結果在后處理軟件平臺HyperView數據讀取和分析處理。

1 動力大支架強度仿真分析流程介紹

為檢驗動力大支架是否具有抵抗外力破壞的能力，需要對動力大支架進行結構強度仿真分析，具體的有限元仿真分析流程如圖2所示。

圖2 零部件結構強度分析流程

根據分析流程搭建的結構強度FE模型分析結果，如果各個工況下零部件受到最大應力均小于其材料的屈服強度，理論上該零部件就滿足強度要求；反之，如果其中之一的工況分析結果存在零部件不滿足強度要求，需要對受到最大應力的零部件進行優化，提出合理的優化方案，增強相應零部件的強度，使其滿足強度要求。

2 動力大支架FE模型搭建

2.1 劃分網格及檢查模型

根據動力大支架的尺寸選定劃分有限元網格的尺寸標準為6mm，理想網格的尺寸最小為5.5mm，最大為6.5mm，網格的類型選擇2D面網格；動力大支架上板、加強板和下板3個零件之間用螺栓連接；根據不同螺栓孔的直徑建立不同的washer塑性應變殘留網格；動力大支架上板和下板之間、動力大支架上板和加強板以及動力大支架下板和加強板之間都采用滿焊方式連接。

FE模型檢查主要包括以下幾點：1)是否有自由邊；2)是否有重復單元；3)單元的尺寸是否合格；4)翹曲和雅可比是否在要求范圍內等；5)保證網格單元中三角形單元的數量不要超過網格總數的5%。以上要求是確保搭建的FE模型計算穩定可靠，避免不收斂。圖3是動力大支架初始結構的FE模型。

圖3 動力大支架原結構FE模型

2.2 賦予材料屬性

根據整車BOM(bill of material)表物料清單，對于動力大支架FE模型的材料屬性賦予包括兩方面：材料性能和材料厚度。動力大支架上板、動力大支架下板的材料都是B340/590，屈服強度是340MPa，上板和下板的材料厚度均是3mm；加強板的材料是Q235，屈服強度是235MPa，材料厚度是5mm；卡片屬性選用殼單元。

2.3 建立連接

本文研究的動力大支架各零部件連接采用的是焊縫連接，動力大支架上板和下板之間、上板和加強板之間以及下板和加強板之間都采用滿焊連接。焊縫采用面網格的方式來模擬，圖4是焊縫模擬示意圖，圖中間一層網格是焊縫，上下兩層網格分別代表動力大支架上板和下板。

圖4 縫焊模擬示意圖

2.4 搭建邊界條件

動力大支架的約束方式采用慣性釋放。由于無法采集到新能源動力大支架的工況標準，本文選取的工況是傳統燃油車的道路載荷工況標準，它主要包括表1中的7個工況。

表1 工況信息表

2.5 求解FE模型

運用Nastran對動力大支架進行應力分析，得到其在7種不同工況下的最大應力云圖如圖5-圖11所示。

圖5 工況1最大應力

圖6 工況2最大應力

圖7 工況3最大應力

圖8 工況4最大應力

圖9 工況5最大應力

圖10 工況6最大應力

圖11 工況7最大應力

從圖5-圖11可以看出，動力大支架在工況3下受到的最大應力值最大，高達330.2MPa，接近材料的屈服強度340MPa，最大應力位置在動力大支架下板凹槽靠近焊縫處。雖然計算結果滿足材料的最大屈服強度，但供應商考慮動力大支架上板和下板之間采用滿焊連接容易引起應力集中導致動力大支架下板凹陷，建議采用點焊+段焊的方式連接，以減小動力大支架下板受到的應力集中。

3 優化結構及仿真結果的對比分析

3.1 優化FE模型

FE模型優化主要從以下兩方面進行優化：第一，從連接方式上優化。動力大支架上板和下板之間、動力大支架上板和加強板以及動力大支架下板和加強板之間的連接方式都由原結構滿焊優化為點焊+段焊；第二，從動力大支架結構上優化。加強板由2塊更改為4塊，厚度由5mm變更為6mm，通過以上兩方面的優化來減小材料受到的最大應力。優化前后的FE模型如圖12、圖13所示。

圖12 原結構動力大支架

圖13 新結構動力大支架

動力大支架上板和下板之間除了段焊，還有部分采用點焊方式連接。段焊依然采用畫網格的方式表示，點焊的示意圖如圖14所示。

圖14 點焊模擬示意圖

3.2 仿真分析結果及對比

1)優化后新結構仿真結果

運用Nastran對新結構動力大支架進行仿真分析，得到其在7種不同工況下的最大應力如圖15-圖21所示。從圖中可以看出動力大支架在工況3下受到的最大應力值最大高達191.6MPa，和原結構受到的最大應力330.2MPa相比，最大應力在一定程度上有了很大的改善。

圖15 優化后工況1最大應力

圖16 優化后工況2最大應力

圖17 優化后工況3最大應力

圖18 優化后工況4最大應力

圖19 優化后工況5最大應力

圖20 優化后工況6最大應力

圖21 優化后工況7最大應力

2)仿真結果分析對比

優化后新結構動力大支架受到的最大應力比初始整體結構動力大支架受到的最大應力小約140MPa，優化后整體結構強度提高顯著。這主要是因為優化了兩個地方：1)焊接方式由滿焊優化為點焊+段焊，因為滿焊容易引起應力集中；2)增加了加強板的塊數和厚度。兩種結構對比結果如表2所示。

表2 兩種結構最大應力值對比表 單位：MPa

4 結語

動力大支架作為動力系統的重要零部件，在連接車身和各驅動系統及電力電子系統方面起著不可忽視的作用。

本文基于某車型的動力大支架，雖然初始結構的最大應力可以滿足強度要求，但是滿焊的工藝較難保證強度一定合格。通過對初始結構的動力大支架進行優化：優化動力大支架上下板及加強板的焊接方式由滿焊變為點焊+段焊以及增加加強板的塊數和厚度。由仿真結果可以看出優化后的動力大支架受到的最大應力有明顯改善，并滿足強度要求。