基于Hyperworks的純電輕卡動力電池支架優化

中圖分類號：U469 收稿日期：2025-03-22 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.013

Abstract：Thispaperconductedadetailedfiniteelementanalysisonthestructuralstrengthofthepowerbaterybracket.Firstly， basedonHyperworkssoftware，afiniteelementmodelofthepowerbatterybracketanditssurroundingvehicleenvironmentwereconstructed，takingintccountmateralpopts，ectioetods，ndouskingdiioniulaios.lai sultsshowedthatthestrengthofthebracketmethedesignrequirementsundermostworkingconditions，buthereweresafetyhazards underemergencysteringoditions.Terefore，targetedtrcturalotizationplanaspropoedandthetizatiota verifiedtroughsubsequentsimulations.Finall，ctualxperimentsfurtherconfimedtheructuraleliabiltyandsafetyoftti mized power battery bracket.

Keywords：Powerbatterybracket;Structure;Strength;Optimization

1前言

動力電池支架是電動汽車的重要組成部分，主要用于固定電池包，保證電池包在汽車行駛過程中的安全[1]，其結構設計的合理性直接影響到電池的安全性、使用壽命以及整車的性能表現。為了確保輕卡動力電池支架能夠在復雜多變的實際使用條件下穩定可靠地發揮作用，開展輕卡動力電池支架的有限元分析顯得尤為必要。通過運用先進的有限元方法對支架在不同工況下進行模擬分析，可以提前預測其應力分布、變形情況等，從而為優化設計方案提供科學依據，避免因設計缺陷導致的電池損壞、安全事故等問題，進而提高輕卡的整體質量和市場競爭力。

王濤[2]、韓仰[3]分別利用有限元分析軟件對重型和輕型載貨汽車車架進行強度和模態仿真，實現車架的輕量化設計。牛凱強等[4]對專用車副車架邊梁進行靜力學分析，采用NXNASTRAN進行輕量化設計。楊德勝等[5]通過對壓裂車副車架進行有限元分析并實現了改進。夏緒芳[6采用有限元分析找到了吸污車副車架的薄弱點并進行了改進。然而，現有研究針對純電輕卡動力電池支架分析較少。HyperWorks擁有強大的建模功能，可精準構建車架復雜幾何模型，其網格劃分技術高效，能在保證精度的前提下快速生成合適網格。HyperWorks的前處理提供豐富材料庫與邊界條件設置選項，貼合實際工況。求解計算速度快且結果準確可靠，后處理模塊能直觀呈現應力、變形等結果，便于工程師快速評估車架性能并做出優化決策。本文將采用Hypeworks通過對動力電池支架所受各個工況受力進行理論分析，結合分析結果對結構改進提出方向并進行驗證，具有重要的工程實際意義。

2有限元模型

a.電池支架結構：如圖1所示，電池支架分上下兩部分，上部由6個沖壓件與車架腹面相連，下部為Z字形拼焊件，上支架與下支架通過螺栓連接。

b.電池支架及電池模型：如圖2所示，根據支架的結構特點，有限元模型主要以殼單元為主，螺栓孔采用RBE2及BAR連接，縫焊采用SEAM單元模擬，分析軟件為HYPERWORKS。動力電池殼體搭建網格模型，上殼體采用殼單元，下殼體采用實體單元，電芯等簡化為集中質量點CONM2，與下殼體通過RBE3連接。

c.完整強度分析模型：如圖3所示，為更準確模擬支架受力，搭建簡化整車模型。車架主體以殼單元為主，螺栓孔采用RBE2及BAR連接，縫焊采用SEAM單元模擬。前后板簧懸架中板簧采用薄板模擬，橋簡化為BARS單元。駕駛室、貨箱、貨物、底盤主要部件簡化為集中質量點CONM2，與車架安裝點通過RBE3連接。

d.電池支架材料性能參數：所采用的材料為 610L 高強鋼，彈性模量 E=210GPa ，，屈服強度 σ_s=510MPa ，抗拉強度 σ_b=610MPa ，疲勞強度泊松比為0.3。根據設計要求，屈服強度安全系數 ?1.65 滿足要求。

e.模擬工況：通過將動力電池支架和車架固聯搭建完整強度分析模型，模擬車輛在常見的滿載條件下彎曲、起步、緊急制動和緊急轉向等4種工況下的強度。

3仿真結果分析

在簡易整車模型下對動力電池支架強度進行分析，結果如圖4＼～圖7所示。

a.如圖4所示，彎曲工況下最大應力出現在支架3下方Z字形拼焊件上，最大應力為 244.2MPa ，屈服強度安全系數 2.09gt;1.65 ，滿足要求。

b.如圖5所示，起步工況下最大應力出現在支架1下方Z字形拼焊件上，最大應力為 150.25MPa ，屈服強度安全系數 3.39gt;1.65 ，滿足要求。

c.如圖6所示，緊急制動工況最大應力出現在支架5下方Z字形拼焊件上，最大應力為 187.53MPa ，屈服強度安全系數 2.72gt;1.65 ，滿足要求。

d.如圖7所示，緊急轉向工況最大應力出現在支架4下方Z字形拼焊件上，最大應力為 316.02MPa ，屈服強度安全系數 1.61lt;1.65 ，不滿足要求，需要對Z字形拼焊件進行結構優化。

4動力電池支架改進優化

根據仿真結果，縮小Z字形拼焊件減重孔在高度方向的尺寸，后部取消減重孔，直接改為減重槽。改進后的動力電池支架如圖8所示，改進后仿真結果如圖 9～ 圖12所示。

a.如圖9所示，彎曲工況下最大應力仍出現在支架3下方Z字形拼焊件上，最大應力為 247.5MPa ，屈服強度安全系數 2.06gt;1.65 ，滿足要求。

b.如圖10所示，起步工況下最大應力依舊出現在支架1下方Z字形拼焊件上，最大應力為 116.37MPa 屈服強度安全系數 4.38gt;1.65 ，滿足要求。

c.如圖11所示，緊急制動工況最大應力出現在支架2下方Z字形拼焊件上，最大應力為 152.35MPa ，屈服強度安全系數 3.35gt;1.65 ，滿足要求。

d.如圖12所示，緊急轉向工況最大應力出現在支架2下方Z字形拼焊件上，最大應力為 302.33mpa ，屈服強度安全系數 1.69gt;1.65 ，滿足要求。

5效果驗證

在動力電池支架經過改良后，筆者將其與整車共同納入了一系列嚴格的可靠性評估及三高環境下的標定測試。這些測試具體包括：在惡劣路況下執行高環試驗，以模擬并評估車輛在長時間高速行駛狀態下的耐久性表現；在強化路面上開展穩定性測試，旨在校驗極端條件下的車輛動態響應。此外，針對改良后的動力電池支架，還組織整車實施了高溫、高原、高寒等多元極端環境下的標定驗證，以確保其在廣泛氣候條件下的穩定運行性能。

經過這些全面而嚴格的試驗驗證，可以發現，改進后的動力電池支架在整個試驗過程中表現出了卓越的性能。它不僅沒有出現任何變形或開裂等安全隱患，而且在各項性能指標上均達到了預期的要求。這一結果表明，對動力電池支架進行的改進措施是有效的，顯著提升了其結構的安全性和可靠性。

6結語

本研究圍繞動力電池支架的強度分析與優化展開了系統工作。通過精確建模與仿真，識別出了潛在的結構弱點，并針對性地提出了改進方案。經過一系列嚴格的仿真測試與實際試驗驗證，不僅成功解決了一系列技術難題，還在兩方面展現了創新性：a.首次詳細闡述了動力電池支架在不同工況下的強度表現并提出了針對性的優化策略，顯著提升了支架在緊急轉向工況下的結構安全性。b.借助Hyperworks軟件的仿真功能，探尋出一種更為可靠的技術途徑，以助力整車關鍵零部件的可靠性設計。

參考文獻：

[1]徐思壽.電動汽車電池包安裝支架設計與優化[J].汽車測試報告，2023（7）：73-75.

[2]王濤.重型載貨汽車車架有限元分析及優化設計[D].大連：大連交通大學，2020.

[3]韓仰.輕型載貨汽車車架有限元分析及優化設計[D].大連：大連交通大學，2019.

[4]牛凱強，平志峰，劉軍，等.基于NXNASTRAN的副車架邊梁輕量化設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2022，57（2）：64-67.

[5]楊德勝，蔣清豐，劉慶，等.基于ANSYS的副車架結構強度及模態分析[J].制造業自動化，2019，41（9）：12-14.

[6]夏緒芳.基于Hyperworks的吸污車副車架結構設計[J].建設機械技術與管理，2024，37（5）：38-41.

作者簡介：

朱路生，男，1989年生，高級工程師，研究方向為商用車產品經理、底盤總布置。