某輕卡蓄電池支架性能分析與輕量化設計

李翔翼

(江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052)

0 引言

蓄電池作為輕卡的電力源頭,能夠為車輛啟動提供充足的電能,是車輛非常重要的組成部分之一。輕卡蓄電池支架通過4個螺栓將蓄電池固定在車架縱梁上,以此起到固定與保護作用,使其安全運行。蓄電池支架通過螺栓安裝在輕卡車架縱梁中段,當車輛行駛在凹凸不平路面時,底盤系統將承受較大的激勵載荷,從而會引起蓄電池支架產生局部振動,所以輕卡蓄電池支架需擁有較強的強度性能,防止其發生斷裂破壞,同時需擁有良好的模態性能,避免其發生共振,以確保蓄電池支架總成的穩定性。

為了獲取并評估某輕卡蓄電池支架的性能,根據蓄電池支架總成的三維模型,采用有限元技術劃分網格,并建立連接關系,計算出其模態頻率,再基于采集的振動加速度進行強度性能仿真分析,最后進行輕量化設計,得到了其最佳設計參數。

1 蓄電池支架總成模態性能分析

1.1 建立網格模型

某輕卡蓄電池支架總成包括車架、內板、外板、底板和蓄電池等,內板、底板與外板之間通過焊接連接,內板與車架通過螺栓連接,內板和外板的厚度均為3.5 mm,底板的厚度為2.5 mm,蓄電池支架的重量為6.9 kg,蓄電池的重量為40.2 kg。基于前處理軟件Hypermesh[1,2]抽取車架、內板、外板、底板的中性面,刪除影響較小的圓孔和倒角,填補缺失面。為了保證其力學傳遞關系和仿真精度,采用3 mm的混合單元對各部件的中性面進行網格離散化處理。為了消除螺栓孔周邊出現的應力集中現象,在螺栓孔周邊均勻布置兩層規整的四邊形單元。零部件之間的焊縫采用對齊的四邊形單元代替,螺栓采用RBE2單元代替。蓄電池支架的材料為Q235,基于各項同性的材料類型建立各部件的厚度屬性,以此完成該輕卡蓄電池支架總成網格模型,如圖1所示。其中,X、Y、Z分別為縱向、橫向、垂向。

圖1 蓄電池支架總成網格模型

1.2 模態性能結果與評判

模態特性是結構的固有特性,基于模態性能分析,可以獲取其動態特性,從而評估其性能的優劣,并對其進行優化。為了獲取蓄電池支架總成的動態特性,基于有限元模型并采用Nastran求解器[3,4]設置頻率范圍為0～100 Hz,對車架縱梁兩端施加固定約束,進行模態頻率計算。由于該輕卡蓄電池支架總成的模態性能主要受低階頻率影響,所以計算得到除前6階剛體模態之外的前3階固有頻率及振型和振幅,如表1和圖2所示。由表1可知,蓄電池支架總成的前3階固有頻率分別為32.3 Hz、58.6 Hz和92.4 Hz。由圖2可知:蓄電池支架總成的第1階振型表征為X方向彎曲,其最大變形為5.923 mm;第2階振型表征為Y方向彎曲,其最大變形為7.753 mm;第3階振型表征為Z方向彎曲,其最大變形為6.743 mm。

表1 蓄電池支架總成前3階固有頻率及振型和振幅

圖2 蓄電池支架總成前3階模態振型

車輛行駛在凹凸不平路面時的激勵頻率通常在20 Hz附近,該輕卡發動機的怠速頻率為26.7 Hz。由此可知,該蓄電池支架總成的前3階固有頻率與不平路面和發動機的激振頻率不重疊,因此能夠避免產生共振風險,其模態性能符合實際使用要求。

2 蓄電池支架的強度性能分析

2.1 強度工況

車輛行駛在凹凸不平路面時將承受來自各個方向的力,為了獲取車架兩端的振動激勵,分別在兩端配置兩個加速度傳感器,測試車速為80 km/h。基于實測的頻域加速度譜得到車架端在X、Y、Z方向的最大振動加速度分別為3.6g、3.9g和7.2g。因此基于蓄電池支架總成有限元模型,約束車架兩端,同時為了提高安全系數,采用Abaqus仿真軟件在X、Y、Z方向分別加載4g、4g和8g的重力場,模擬整車的制動、轉彎和垂跳工況,以此對蓄電池支架強度性能進行仿真分析。

2.2 強度性能結果與評判

仿真得到的蓄電池支架應力云圖如圖3所示,Z方向的變形云圖如圖4所示。

圖3 蓄電池支架應力云圖

圖4 蓄電池支架Z方向變形云圖

由圖3可知:蓄電池支架X方向的最大應力為150.4 MPa,位于外板內側拐角處,這是因為輕卡在制動時蓄電池重心會發生縱向前移,從而引起應力集中,其強度安全系數為1.56,符合強度性能設計要求;在Y方向的最大應力為59.56 MPa,位于外板的螺栓孔處,這是因為輕卡在轉彎時蓄電池支架主要受彎矩,由此造成在螺栓孔處的應力較大,其強度安全系數為3.94,能夠滿足實際使用要求;在Z方向的最大應力到達了169.1 MPa,位于外板與內板焊縫連接處,這是因為輕卡在跳動時蓄電池發生垂向振動,支架的外板會拉扯內板,從而使內外板的連接處產生應力集中,其強度安全系數為1.39,滿足強度特性要求。

由圖4可知:蓄電池支架的最大位移為2.38 mm,小于4 mm的目標要求,整體變形分布均勻,同樣也滿足設計要求。

3 輕量化設計

通過上述分析可知,蓄電池支架的性能滿足設計標準,具有較強的綜合特性,有一定的減重空間,因此將蓄電池支架的內板、外板和底板厚度作為結構參數進行輕量化設計。采用Isight集成平臺[5,6]加載蓄電池支架總成的有限元模型、模態分析命令流和強度分析命令流,定義各設計變量,以重量最小化為目標函數,基于第二代非劣排序遺傳算法對其結構進行輕量化設計。

經過多次迭代計算,得到蓄電池支架外板的最佳厚度為3.2 mm,內板的最佳厚度為3.0 mm,底板的最佳厚度為2.0 mm。優化之后蓄電池支架的總重量降低至5.8 kg,減輕了15.9%,輕量化效果比較明顯。優化后蓄電池支架總成第1階模態振型和支架Z方向應力云圖如圖5、圖6所示。

由圖5可知:優化后蓄電池支架總成的第1階模態振型仍然為X方向彎曲,其頻率為30.1 Hz。

由圖6可知:優化后蓄電池支架在Z方向的最大應力達到了212.1 MPa,小于材料屈服極限值(235 MPa),其強度安全系數為1.1,仍然能夠滿足強度特性要求。

4 結論

通過采用有限元前處理軟件創建蓄電池支架總成網格模型,添加相應的約束,對其進行模態頻率計算,獲取其第1階頻率為32.3 Hz,與激勵頻率不重疊,能夠避免產生共振。基于采集的振動激勵對其進行強度分析,其應力峰值為169.1 MPa,小于材料屈服值,強度安全系數為1.39,符合強度要求。通過集成優化得到了蓄電池支架的最佳結構參數,并且其重量減小15.9%,輕量化效果顯著。