基于形貌優化的動力電池上蓋模態優化

劉學榮，童 輝，馮 剛，蘇國棟

基于形貌優化的動力電池上蓋模態優化

劉學榮，童 輝，馮 剛，蘇國棟

（新興際華應急產業研究院，北京 100070）

動力電池上蓋模態直接影響到整車噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）性能及結構耐久性能，為了提升動力電池上蓋模態性能，通過形貌優化方法對上蓋進行了結構優化。基于求解器MSC.Nastran對動力電池上蓋的模態進行了分析，根據分析結果，利用形貌優化法對重點關注的第1階模態進行了優化，通過改變上蓋結構特征，使得上蓋第1階模態由9.6 Hz提升至25.61 Hz。結果表明，形貌優化技術能夠有效提升動力電池上蓋模態性能，為動力電池上蓋優化設計提供了參考。

動力電池；上蓋；模態；形貌優化

新能源汽車技術發展突飛猛進，動力電池作為新能源汽車及其重要的部件之一，對整車性能有著至關重要的影響。動力電池的結構耐久，噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH），耐撞性均對整車性能有重要影響。對新能源純電動汽車而言，汽車整車質量對續航里程影響較大，汽車整車質量每減少10%，耗電下降5.5%，續航里程增加5.5%[1]。因此，整車開發對電池質量提出了更嚴苛的要求。

不同形狀的動力電池上蓋需要有不同的加強筋進行加強。形貌優化在薄板形狀的結構尋找最優加強筋均有很好的優勢，在產品優化中得到了很好的應用。文獻[2]利用形貌優化的方法對列車空調的箱體進行了輕量化設計。文獻[3]使用形貌優化技術對郵輪防火墻進行了優化設計，得到了重量輕、強度好的優化方案。

為了提升動力電池上蓋模態，避免經驗優化帶來的時間成本問題，本文利用形貌優化方法對動力電池上蓋模態進行了優化。

1 動力電池上蓋結構

動力電池的上蓋位于動力電池頂部，由薄板結構組成，起到了保護電池內部組件的作用，上蓋與箱體框架之間采用螺栓連接。上蓋結構如圖1所示。

圖1 動力電池上蓋

2 動力電池上蓋有限元模型建立

2.1 網格劃分

文中動力電池上蓋屬于薄板結構，厚度方向尺寸遠小于長度方向尺寸，因此，上蓋可用殼單元進行劃分網格。使用前處理軟件對上蓋抽取中面，并進行網格劃分，單元基本尺寸為10 mm，如圖2所示。

圖2 動力電池上蓋有限元模型

由于動力電池上蓋通過螺栓固定在電池箱體上，螺栓貼合面需要做剛性處理，因此，螺栓安裝孔的網格需特殊處理，用一圈深度為5 mm的washer進行劃分網格，并用剛性單元rbe2將washer的各個節點連接，用來模擬墊片，使得上蓋的連接形式接近真實情況，如圖3所示。

圖3 螺栓安裝孔建模

有限元模型共有96 889個節點、93 825個單元，其中三角形單元數為6個，四邊形單元數為93 690個。

2.2 模型定義

模型定義為殼單元屬性，厚度為1.2 mm。上蓋的材料為鋁合金6063-T6，材料物性參數如表1所示。

表1 材料物性參數

3 上蓋模態分析

3.1 模態分析求解方程

模態結構的固有特性之一，用來衡量結構振動性能，每一個結構具有無窮階模態，對應的每一階模態具有固定頻率和模態振型。模態分析指通過計算或者試驗的方法獲取模態的固有頻率、模態振型。復雜模型可以通過有限元分析方法獲取結構模態。動力電池上蓋無法通過解析法求得模態，只能借助于有限元方法進行求解。有限元自由振動方程為

(-)=0 （1）

式中，為結構剛度矩陣；為結構質量矩陣。

動力電池上蓋為金屬材料，其結構阻尼小，由于小阻尼對固有頻率的影響小，因此，上蓋模態分析可忽略阻尼影響，屬于實模態分析。求解式（1）可以得到個特征值λ[4]，從而可以得到固有頻率為

3.2 模態分析結果

對動力電池上蓋進行模態分析可以得到上蓋固有頻率，上蓋第1階模態的高低直接影響到NVH性能及隨機振動疲勞可靠性，同時為上蓋優化提供理論依據。上蓋通過螺栓與電池箱體連接到一起，因此，需要對上蓋進行約束模態分析。電池箱體具有剛度高、質量大的特點，根據工程分析經驗，上蓋模態分析的約束條件為約束上蓋各螺栓安裝孔的全部自由度。為提高計算效率，采用蘭索斯法計算模態，對應的關鍵字為EIGRL。通過求解器MSC.Nastran求解約束模態分析得到動力電池上蓋的前6階固有頻率，如表2所示。

表2 各階固有頻率

第1、2階模態振型表現為上蓋左右兩部分垂直于上蓋平面方向的振動，第3、4階模態振型表現為上蓋上下左右四部分垂直于上蓋平面方向的振動，第5階模態振型表現為上蓋中間部分垂直于上蓋平面方向的振動，第6階模態振型表現為中間部分左右兩側垂直于上蓋平面方向的振動。因此，前6階模態振型均為垂直于上蓋平面方向的振動。其中，作為重點關注的動力電池上蓋第1階模態振型圖如圖4所示。

圖4 動力電池上蓋第1階模態振型

4 上蓋優化設計

新能源電動車的主要激勵來源于汽車行駛過程中的路面激勵，根據國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031—2020），其激勵頻率主要集中在10 Hz～20 Hz之間。為了避振，需要保證動力電池上蓋與路面激勵頻率具有5 Hz的避振頻率。因此，上蓋模態性能要求不低于25 Hz。通過模態分析結果可以看出，前6階模態均低于25 Hz，在汽車行駛過程中可能發生共振問題，不能滿足性能要求。

4.1 形貌優化理論模型

形貌優化是一種針對薄殼結構加強筋優化布置的優化方法，在不改變厚度的情況下，通過改變薄殼結構上加強筋的位置及加強筋的形狀提高薄殼結構的剛度，從而提升模態性能。與拓撲優化不同的是拓撲優化采用的是單元變密度為設計變量，而形貌優化采用的是起筋形狀為設計變量[5]。

形貌優化的理論數學模型為

=(1,2,3,4,...,)T（3）

Min=T(e)（4）

式中，e為有限元模型節點在設計空間的位移量，其方向為單元法相或全局坐標方向，0＜e＜；為優化對象的柔度；為在外載情況下節點的位移；(e)為節點移動后的對應模型的剛度；為設計空間內允許節點移動的上限值。

4.2 動力電池上蓋變量定義

動力電池上蓋四周及中面螺栓安裝孔為密封區域，此處需要保持鈑金具有完整的平面。因此，將上蓋中間區域定義為優化區域，如圖5所示。

圖5 動力電池上蓋優化區域

上蓋起筋的高度由設計空間決定，頂部空間需保留與電動車地板之間的間隙，底部空間需保留與模組之間的間隙，根據設計需求，定義起筋高度為5 mm。起筋寬度及起筋角度由單元尺寸及成型工藝決定，定義最小起筋寬度為15 mm，起筋角度為60°。

4.3 動力電池上蓋約束及目標定義

形貌優化過程中的變量響應通常為位移、質量、模態、應力等。動力電池上蓋主要性能指標為模態，以模態及質量作為響應，以模態作為約束，質量最小作為目標[6]。其中，考慮到形貌優化之后仍需工程化處理，此過程有可能造成優化指標下降，因此，需要對約束值設定一定的裕度。根據工程經驗，設置優化約束裕度值為5 Hz，即模態約束值為不小于30 Hz。

4.4 形貌優化

優化求解經過19次迭代后，目標函數收斂，得到各部分節點的變形量，中間區域表示變形量為5 mm，四周區域變形量為0，變形云圖如圖6所示。

圖6 形貌優化變形云圖

4.5 結果快速驗證

在前處理軟件HyperMesh中對形貌優化結果進行快速處理，計算優化后方案的模態，從而快速驗證方案可行性。快速驗證模型如圖7所示。

圖7 動力電池上蓋快速驗證模型

經求解計算得到前6階模態結果，其中第1階模態為29.6 Hz，滿足性能指標要求。其振型圖如圖8所示。

圖8 形貌優化結果快速驗證振型圖

4.6 工程化處理

形貌優化的結果存在一些銳角、斷面等容易產生工藝缺陷的問題，無法直接使用形貌優化結果。因此，需要對形貌優化的結果進行工程化處理。將優化結果導出igs格式的幾何面，在三維設計軟件SolidWorks中對其進行工程化設計，工程化設計過程中主要考慮最小圓角、拔模方向、密封性的要求。工程化結果如圖9所示。

圖9 工程化模型

5 優化結果驗證

將優化后的幾何模型導入到前處理軟件中進行網格劃分、材料定義、屬性定義、求解設置等前處理工。使用求解器MSC.Nastran求解前10階約束模態，得到各階模態值。其中前6階固有頻率如表3所示。

表3 各階固有頻率

其中，第1階模態固有頻率為25.61 Hz，比形貌優化快速驗證模型結果低了3.9 Hz，主要是由于工程化之后部分特征移除造成的。優化結構比原始結構提升了16.01 Hz，固有頻率提升了167%，有效地提升了固有頻率，達到了優化效果。第1階模態振型圖如圖10所示。

圖10 優化后第1階模態振型圖

為驗證仿真優化結果的準確性，使用求解器ABAQUS對同一有限元模型進行模態分析，得到前六階固有頻率，與MSC.Nastran計算結果偏差最大的為第4階頻率，偏差為0.5%。通過兩種軟件仿真分析結果對比可知，仿真分析結果差異小、仿真精度滿足工程需求。ABAQUS仿真計算得到的前6階固有頻率如表4所示。

表4 ABAQUS求解所得各階固有頻率

6 結論

本文以動力電池上蓋為研究對象，通過模態分析得到了前6階模態的固有頻率和振型。根據動力電池上蓋的性能要求，得出原有方案不能滿足求解的結論。為滿足性能要求，對動力電池上蓋進行了形貌優化，根據形貌優化結果對上蓋合理起筋，固有頻率由9.6 Hz提升至25.61 Hz，固有頻率提升了167%，優化后的上蓋滿足了性能要求，保證產品安全性。

[1] 王品健.純電動汽車動力電池包箱體結構輕量化設計與優化[D].長沙:湖南大學,2018.

[2] 王楓,曹立達.基于形貌優化的列車空調箱體輕量化分析[J].流體機械,2019,47(5):79-83.

[3] 張帆,楊德慶,邱偉強.基于形貌優化技術的郵輪輕型防火圍壁設計[J].上海交通大學學報,2021,55(10): 1175-1187.

[4] 歐賀國,方獻軍,洪清泉.RADIOSS理論基礎與工程應用[M].北京:機械工業出版社,2013.

[5] 洪清泉,趙康,張攀,等.OptiStruct&HyperSsudy理論基礎與工程應用[M].北京:機械工業出版社,2013.

[6] 程必良.純電動汽車電池包結構優化設計研究[D].太原:中北大學,2021.

Modal Optimization of Power Battery Cover Based on Topography Optimization

LIU Xuerong, TONG Hui, FENG Gang, SU Guodong

( Xinxing Cathay Emergency Industry Institute, Beijing 100070, China )

The modal of the power battery cover directly affects the noise, vibration, harshness(NVH)performance and structural durability of the whole vehicle. In order to improve the modal performance of the power battery cover, the cover structure is optimized by using topography optimization method. Based on solver MSC.Nastran analyzed the modal of the power battery cover. According to the analysis results, the first modal that is of great concern was optimized by using the topography optimization method. By changing the structural characteristics of the cover, the first modal of the cover is increased from 9.6 Hz to 25.61 Hz. The results show that the topography optimization technology can effectively improve the modal of the power battery cover, which provides a reference for the optimization design of the power battery cover.

Power battery; Cover; Modal;Topography optimization

TH122

A

1671-7988(2023)03-95-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.018

劉學榮（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為特種裝備仿真技術應用，E-mail:liu.x.rong@163.com。