某新能源輕客電池包支架強度分析及輕量化設計

黃杰文

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

引言

新能源汽車屬于清潔能源，能夠大幅度緩解石油壓力，應對資源緊張問題，并且能夠達到尾氣的零排放。在新能源汽車中，電池包提供主要的能量來源，是非常重要的動力系統，電池包支架將電池包安裝固定在車身底部，其結構的強度性能直接影響整車的可靠性和安全性。電池包支架是復雜的受力結構，當車輛行駛在顛簸路面時，其載荷比較復雜，若其強度性能不足，容易造成疲勞風險，大大降低了整車的穩定性。為了校核某新能源輕客電池包支架的強度性能，首先采用有限元方法建立電池包支架離散化模型，然后對其制動、轉彎和上跳和下跳工況的強度性能進行分析，最后基于集成平臺對其進行輕量化設計和實車驗證。

1 有限元理論

有限元分析的基本思想是首先將結構進行離散化處理，劃分成若干個有限元單元，然后構建平衡方程組，最后基于變分原理求解平衡方程組。有限元方法具有較高的靈活性和可靠性，能夠準確獲取結構的各項特性。結構載荷與位移的運動方程[1-2]為：

式中：K是結構的剛度矩陣；f是結構的載荷列陣；q是結構的位移列陣。

2 強度性能分析

2.1 建立有限元模型

如圖1所示，為某新能源輕客電池包支架三維模型。該電池包支架主要由多根橫梁、縱梁和連接支架組成，將電池包通過螺栓與車身底部連接在一起，為整車提供電力動源。電池包支架的總重量為32.5 kg，電池包支架的材料為QSTE 460TM，其屈服強度為460 MPa。

圖1 電池包支架三維模型

首先將電池包支架三維模型導入前處理軟件Hypermesh[3-4]中，抽取其各個零部件的中面，同時對其各個表面進行幾何清理，刪除缺失面和微小特征，然后采用5 mm的四邊形單元對其進行離散化處理，過渡區域允許少量的三角形單元，螺栓孔周圍采用均勻整齊的四邊形以避免發生應力集中現象。焊縫采用ACM（Shell Gap）單元模擬連接，螺栓單元RB2單元模擬連接。建立材料屬性并賦予各個部件，以此建立該電池包支架有限元模型。同時為了準確獲取電池包支架的性能，將其裝配在整車模型中，左右兩個電池包的重量分別為230 kg和198 kg，如圖2所示。

圖2 電池包支架有限元模型

2.2 強度分析結果

車輛在行駛過程中，電池包支架受力比較復雜，其主要工況分制動、轉彎、上跳和下跳。為了獲取電池包支架的強度性能，基于電池包支架有限元模型，并且采用Nastran軟件[5]約束前懸架12456自由度，約束后懸架12346自由度，約束前、后減震器Z向自由度。電池包支架在制動工況時，主要承受縱向載荷和垂直向下載荷，因此設置X向1G，Z向－3G，以此對其進行靜態分析。如圖3所示，為電池包支架制動工況的應力分布云圖，由圖3可知，電池包支架的應力集中點位于其第三橫梁處，其最大應力值為404.3 MPa，低于材料屈服值，能夠滿足性能要求。

圖3 制動工況的應力分布云圖

電池包支架在轉彎工況時，主要承受橫向載荷和垂直向下載荷，因此設置Y向1G，Z向－3G，以此對其進行靜態分析。如圖4所示，為電池包支架轉彎工況的應力分布云圖，由圖4可知，電池包支架的薄弱點位于后連接支架處，其最大應力值為404.5 MPa，小于材料許用應力，符合設計要求。

圖4 轉彎工況的應力分布云圖

電池包支架在上跳工況時，主要承受垂直向上載荷，因此設置Z向2.5 G，以此對其進行靜態分析。如圖5所示，為電池包支架上跳工況的應力分布云圖，由圖5可知，電池包支架的最大應力為301.3 MPa，低于材料極限值，滿足強度性能要求。

圖5 上跳工況的應力分布云圖

電池包支架在下跳工況時，主要承受垂直向下載荷，因此設置Z向－3 G，以此對其進行靜態分析。如圖6所示，為電池包支架下跳工況的應力分布云圖，由圖6可知，電池包支架在受到垂向重力載荷時，后連接支架的應力值達到最大，為421.8 MPa，仍然符合使用要求。

圖6 下跳工況的應力分布云圖

3 輕量化設計

3.1 輕量化手段

通過基于電池包支架強度性能分析可知，其主要受力工況的應力水平均低于材料屈服值，具有一定的輕量化可能。基于Isight軟件[6]加載電池包支架有限元模型，并對電池包支架各個零部件的厚度值進行參數化處理，同時集成其強度性能分析命令流，以電池包總重量最小化為目標函數，設置其最大應力值小于460 MPa，并且采用自適應模擬退火算法對其進行輕量化設計。

3.2 輕量化結果

如圖7所示，為優化之后電池包支架在下跳工況的應力云圖。由圖7可知，優化之后電池包支架的最大應力值為455.5 MPa。與此同時，其制動工況、轉彎工況和上跳工況的最大應力值分別為436.6 MPa、436.8 MPa和325.4 MPa，其應力值均小于目標值，能夠滿足強度性能設計要求，可以有效降低故障率，減小疲勞失效風險。與此同時，優化之后電池包支架的總重量降低至30.2 kg，成功減重7.1%，有效降低了整車重量，能夠提升燃油經濟性。

圖7 優化后下跳工況的應力分布云圖

4 結論

基于有限元理論建立電池包支架網格模型，采用Nastran軟件約束車身的自由度，對其在制動、轉彎、上跳和下跳工況的強度性能進行仿真分析，得到其最大應力值分別為404.3 MPa、404.5 MPa、301.3 MPa和421.8 MPa，均小于材料屈服值，符合設計要求。基于Isight集成軟件對電池包支架的厚度值進行優化設計，優化后電池包重量降低至30.2 kg，減輕了7.1%，實現了輕量化的目的。