基于SFE隱式參數化的純電動商用車電池框架輕量化設計

摘 要：以某純電動商用車電池框架為研究對象，應用CAE分析驅動設計的理念，建立電池框架隱式參數化模型，定義零件料厚、斷面尺寸共37個變量，以電池框架性能不降低為前提，采用Isight開展多目標設計優化，確定料厚和斷面的最佳組合方案，完成純電動商用車電池框架輕量化設計。

關鍵詞：電池框架；隱式參數化；靜力學分析；輕量化

在國家雙碳戰略、雙積分等政策以及市場需求等綜合因素驅動下，商用車迅速向電動化方向轉型，商用車新能源滲透率快速提升。但目前純電驅商用車整備質量比柴油車大了1.5～2.0t，其中后電池框架質量在500～800kg，占增加質量的30%～40%。輕量化是新能源商用車降低整車電耗和提升續駛里程的重要途徑之一。因此，對商用車電池框架進行輕量化優化設計具有重要的意義[1-2]。

SFE CONCEPT軟件基于CAE分析驅動設計的理念，可以通過建立隱式參數化模型，在設計早期快速確定最佳的設計方案，節約開發周期成本。近年來，SFE隱式參數化建模技術在白車身輕量化設計方面得到了廣泛應用。史國宏等[3]在白車身設計初期應用隱式參數化白車身模型，結合多學科優化設計等，實現白車身質量減少12kg，減重率4.5%。王登峰等[4]采用SFE CONCEPT開展輕量化設計，在白車身性能不降低的情況下，實現白車身減重19.9kg。吳鵬興等[5]建立商用車白車身隱式參數化模型，結合遺傳算法求解，在保證性能的前提下，實現白車身減重16.9kg。張峰等[6]建立某白車身的參數化模型，通過拓撲、斷面和料厚優化，滿足性能的前下，實現白車身減重17.5kg。綜上所述，隱式參數化建模設計方法在白車身輕量化設計方面取得了比較好的效果，但在整車其他零部件設計上研究應用較少。

本文以某純電動商用車電池框架為研究對象，應用CAE分析驅動設計的理念，建立電池框架隱式參數化模型，定義零件料厚、斷面尺寸共37個變量，以電池框架性能不降低為前提，采用ISIGHT開展多目標設計優化，確定料厚和斷面的最佳組合方案，完成純電動商用車電池框架輕量化設計。

參數化模型搭建及零件材料定義

應用SFE CONCEPT軟件，以某純電動商用車電池框架驗證的有限元模型為依據，建立電池框架隱式全參數化模型。為了便于模型建立，先將電池框架模型分為左框架、右框架、中框架和連接支架4個部分。再按照基點、基線、斷面、梁和接頭等建模步驟分別完成4個部分幾何特征構建，接著通過映射關系或接頭將各部分裝配成總成，最后完成全部參數化模型的建立[7-9]。同時通過軟件網格生成功能，自動生成滿足虛擬仿真分析要求的有限元模型（見圖1），包括零件的材料、屬性和焊點等信息。

電池框架結構初始性能分析

1.電池框架模態分析

對電池框架進行模態分析，邊界條件為約束車架區域自由度，模態分析結果如表1所示。

2. 初始電池框架靜態強度仿真分析

電池框架靜態強度分析需要滿足垂向、轉彎、制動工況和加速4個工況強度要求。各工況下加速度數值如表2所示。

電池框架各工況應力分布如圖2～圖５所示，在垂向沖擊工況下的最大應力為720MPa，處于電池框架L型件與鑄件連接位置；制動工況下的最大應力為440MPa，處于電池包框架折彎件與連接鑄件位置；轉彎工況下的最大應力為334MPa，處于中間橫梁與縱梁連接處；加速工況下的最大應力為745MPa，處于電池框架L型件與鑄件連接位置。

電池框架輕量化優化設計

電池框架結構為梁結構，梁類零件的料厚和斷面形狀對電池框架性能有比較大的影響。因此將零件的料厚和斷面形狀作為設計優化變量。以電池框架模態（下降≤3%）和靜態強度作為約束條件，以質量最小為優化目標，采用正交試驗設計（DOE）方法得出設計變量的數據樣本，根據約束和目標篩選的設計變量擬合數學模型，采用ISIGHT軟件進行多目標設計優化，求出最佳輕量化方案。SFE聯合ISIGHT輕量化如圖6所示，流程為a→b→c。

1.電池框架零部件斷面形狀變量定義

結合結構和受力，選擇電池框架10個主要承載零件斷面作為優化對象，如圖7所示。利用SFE CONCEPT軟件定義19個幾何變量，斷面形狀設計變量的范圍見表3。每個斷面可以通過2～3個參數控制形狀，驅動SFE參數化模型調整零件幾何形狀[10]。

2. 電池框架零件料厚變量定義

結合工程分析經驗，結合電池框架強度靈敏度分析[11]，選取影響最大的18個部件作為料厚優化變量，如表4所示。

3. 優化結果及驗證

通過ISIGHT多目標迭代優化，最終確定5個斷面和9個料厚最佳輕量化優化方案，斷面尺寸優化結果見表5， 斷面厚度優化結果見表6。

根據優化結果，對電池框架模型進行調整，進行模態和靜態強度仿真分析，驗證優化優化方案性能是否滿足要求。表7為電池框架在輕量化優化前后模態分析結果對比，可以看出，優化后各階模態變化在3%以內，滿足約束條件。

電池框架在輕量化優化后不同工況下的靜態強度分析結果如圖8～圖11所示，輕量化方案相比原方案，轉彎工況條件下電池框架縱梁及與車架連接鑄件的最大應力均得到下降，其他工況條件下電池框架各位置的最大應力均有所增加，但都在安全系數以內，滿足產品性能要求。

通過對電池框架關鍵零件的斷面形狀、料厚進行優化，在保證電池框架模態和力學性能性能基本不降低的情況下，最大限度的實現電池框架降重31.4kg，減重率為7.78%。

結語

（1）應用CAE分析驅動設計的理念，在商用車某電池框架設計早期，基于SFE CONCEPT軟件，建立隱式參數化模型，將料厚和斷面作為設計變量，以性能不降低為前提，開展多目標設計優化，確定最佳的料厚和斷面尺寸優化方案，最終高效的實現電池框架輕量化設計。與傳統設計方法相比，可有效減少方案修改和CAE仿真的次數，大幅提高設計開發的效率。

（2）某款純電動商用車電池框架通過采用SFE隱式參數化建模技術，定義共37個變量，通過ISIGHT多目標優化，在保證模態及靜態強度不降低的前提下，實現降重31.4kg，減重率7.78%，大幅提升了電池框架的輕量化水平。

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