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铝合金电池箱结构优化设计
汤贵庭1,2
1. 重庆广播电视大学 重庆市 400052 2. 重庆工商职业学院 重庆市 401520
摘 要： 电池箱是电动汽车的重要部件.本文按照电池设计要求,设计某型号电动汽车电池箱,建立了电池箱的三维模型和有限元模型,分析了电池箱在电动汽车极限工况下的静动态特性,分析表明电池箱结构有优化设计空间.以改变一阶模态和电池箱结构轻量化为目标,结合二分法试验,进行电池箱结构优化设计.优化结果表明：采用 5052-H32 铝合金作为电池箱材料,电池箱厚度为 1.625mm 时,电池箱综合性能满足要求,质量减轻了 18.75%,结构最优.
关键词：电池箱；结构优化设计；二分法逼近试验
1 引言
电动汽车的大力发展,换电式电动汽车以换电时间短、续驶里程长等优点广受企业青睐.电池箱是盛装电池的重要零部件之一,电池箱的设计既要满足机械设计要求,也要满足电气设计要求.
因企业根据经验设计生产,在电池箱材料厚度选择上不是最优,在一定程度上造成了浪费.基于此,结合三维建模软件对电池箱进行结构设计,利用有限元软件对电池箱进行有限元分析非常有必要.
本文按照电池箱设计要求,对电池箱进行了结构设计和静动态特性分析.以避开白车身振动频率范围和轻量化为目标进行了结构优化设计,采用二分法逼近试验获得电池箱的最优结构.
2 电池箱设计要求
电池箱的设计需要满足不仅要满足机械设计要求,还要满足电气设计要求.
（1）机械强度试验要求.满足台架试验、振动试验、冲击试验及开模要求,提高电动汽车的整体匹配性能.在振动试验机上进行振动试验,振动试验需要满足在X轴、Y轴、Z轴的振动频率范围是10HZ-55HZ；最大加速度为30m/s 2 ；扫频次数为10次；扫频频率为10CT/min.试验后无变形、无松动、无损坏.（2）碰撞安全要求.电池单体在电池箱内彼此接触,不会发生滑移现象.通过电池固定带对电池固定.发生碰撞时,电池不会甩出车外；过流装置会迅速断开,不会发生短路；受到挤压变形时,电池内部物质不会流出.（3）通风、防水、绝缘、散热要求.预留通风口,实现散热.电池箱喷涂绝缘漆,对焊缝处涂密封胶,接插件自带密封,实现防水性能.
3 电池箱结构设计及有限元模型建立3.1 电池箱结构设计
电池箱包括电池箱本体、线缆组件、电池单体、连接器以及电池监测系统.考虑维修的便捷性、电池的互换性和通用性,本文所研究的电池箱设计为无盖长方体,长宽高为725mm x 215mm x 280mm.沿长方体长的方向,两端各放置两块电池单体,中间放置电池监测系统组件、连接器及线缆.
3.2 电池箱有限元模型建立
利用有限元软件对电池箱进行静动态分析,获取复杂工况下电池箱受外力时的应力、应变、位移情况.基于分析结果,对结构进行强度、刚度评价,不合理参数进行变更和优化设计,通过力学评价及试验校核,确定最终设计方案.
电池箱有限元分析目标：对车辆行驶时的急转弯、急刹车、爬坡、涉水、剧烈颠簸振动等不同工况进行静、动态分析和优化设计.达到结构最优的效果.
静态分析；保证电池箱在承载冲击、扭转、弯曲等复杂工况时,不会发生塑性变形和开裂现象.
动态分析；包括固有特性分析和和响应分析,振型、频率等相关模态参数组成了电池箱的固有特性,决定对动载荷响应.对模态分析,得到电池箱振型分布和固有频率,是判断电池箱是否会发生共振依据.
优化设计；设计时各个指标之间往往会相互矛盾,确定主要指标,要求电池箱满足一个或多个主要指标要求,次要指标达到最佳.利用有限元软件进行前处理,得到电池箱有限元模型.
3.3 电池箱静动态分析
3.3.1 刚度矩阵
电池箱结构单元的刚度矩阵由e等于bu得到.e为单元的应变矩阵,u为单元结点的位移列阵.刚度矩阵与电池箱材料的弹性模量和泊松比有关.
3.3.2 有限元应力平衡方程
采用应力应变和单元应变位移关系,将二维单元的应力矩阵转化为结点位移关系,基于位移场分布,满足应力平衡方程.用直接法或迭代法求解器求解平衡方程.
3.3.3 电池箱静态分析
静态分析,采用RADIOSS计算,电池箱单元类型选择四边形和三角形的混合形式.电池箱分两块加工,通过单排布置点焊焊接.计算电池箱的位移、应力,进行强度校核,避免出现失效.
汽车零部件常用材料有普通钢板、高强钢、铝合金,有各自不同特点.铝合金因其密度只有钢的1/3,在汽车零部件中应用较广,如车身覆盖件、轮毂、仪表架、行李箱罩、发动机罩大量使用铝合金材料 [1] .
热传导系数是衡量电池箱的热传导、散热性能重要指标,热传导系数越高,热传导性能越好.就热传导系数而言,铁为80W/mK,铝为237W/mK.铝合金除了具有良好的导热和散热性外,还具有机械加工性能好、适用于各种制造方法、耐腐蚀性好、回收重复利用率高等特点 [2] .电池箱盛装电池,电池消耗会散发大量热量,本文选用5052-H32作为铝合金电池箱材料.
材料为各向同性材料,弹性模量为7x104N/mm -2 ,泊松比为0.33,屈服强度为195N/mm -2 ,质量密度为2.68x10 -9 Kg·mm -3 .经查阅资料,汽车行驶时主要受到扭转、冲击、纵向和侧向载荷,取纯电动汽车在车辆颠簸、急刹车、急拐弯路况下的最大加速度为垂直向上的2g、与行驶方向相反1g、向左0.4g [3] .
结合实际生产需求,保证成本最优和工艺合理性,选用所有部件厚度一致的电池箱,厚度为4mm.受颠簸工况是汽车运行时电池箱的极限工况,仅考虑车辆在此状况下的受载荷情况.
每个电池箱内装有四块电池单体,每块电池单体为22.5Kg,载荷大小为882N.取最大冲击加速度为3g,依据电池箱受力节点数量来计算力的大小.电池箱节点为8503个,每个节点受力为0.3118N.
3.3.4 电池箱模态分析
模态分析分为低阶模态和高阶模态.低阶模态反映电池箱的刚度等特征,通过模态结果,确定车身与电池箱共振频率范围,进行控制,避免共振.在电池箱动态分析时,低阶模态对电池箱影响要高于高阶模态,用低阶模态反应固有振型和固有频率 [4] .
3.4 静动态结果分析
利用有限元软件对电池箱进行静动态分析,电池箱应力云图和一阶模态云图分析结果如图1所示.电池箱的质量为4.25kg,最大应力为125.9MPA,一阶模态为119.21HZ.最大应力发生在电池箱的前后两个侧面,一阶模态最大值发生在电池箱的底部.根据第四强度理论 ,其中强度条件为σr≤[σ],[σ]为材料的许用应力.所使用的铝合金为塑性材料,材料发生塑性变形会导致材料失效,用Von Mises等效应力来判断电池箱结构强度.使用铝合金材料屈服极限为290MPA,最大应力125.9MPA远小于材料的屈服极限,电池箱结构设计有很大的优化设计空间.
4 电池箱结构优化设计
电池箱结构优化参数包括：目标函数、约束条件、设计变量.目标函数：f（x）等于f（x 1 ,x 2 ,x 3 ,x 4 ,...,x n ）；约束条件：h i （x）∈（x 0 ,x 01 ）,i等于1,2,3,...,m.G j （x）等于0,j等于1,2,3,...,m j .设计变量：x k L ≤x k ≤x k U ,k等于1,2,3,...,n.采用局部逼近的数学迭代方法进行求解优化.
设计目标：改变一阶模态频率；减轻电池箱质量.
理论分析,应力值越小对电池箱越不容易发生变形,但实际生产过程中,需要综合各方面因素考虑,电池箱应力满足小于材料屈服强度,模态避开白车身共振频率10 ~ 55HZ的范围即可.
采用二分法进行逼近试验,其他条件不变,材料厚度为1.75mm时进行试验,得到应力为157.7MPA,模态为107.89HZ,应力值满足要求,但还可以进一步逼近试验,材料厚度为1.625mm,得到应力大小为177.9MPA时满足材料性能要求,不会发生较大的屈服极限变形 [5] .此时电池箱的静动态分析结果如图2所示.
由图2可知,优化后的电池箱最大应力为177.9MPA,发生在电池箱中部通风散热孔附近.优化后的电池箱最大位移为5.664mm,发生在电池箱底部位置.优化后的电池箱一阶模态为102.34HZ,电池箱前后两侧振动较为剧烈.此时,电池箱的质量为3.453Kg,质量比优化前减轻18.75%.
5 结语
（1）按照电池箱设计要求,建立了电池箱结构三维模型和有限元分析模型.（2）选取了弹性模量为7x104N/mm -2 ,泊松比为0.33,屈服强度为195N/mm -2 ,质量密度为2.68x10 -9 Kg·mm -3 的5052-H32铝合金作为电池箱材料,进行极限载荷状况下的静动态分析.（3）进一步研究,设计的电池箱有优化空间,对电池箱进行结构优化设计,优化后的电池箱厚度为1.625mm,此时电池箱的最大应力为177.9MPA,最大位移为5.664mm,一阶模态为102.34HZ,质量为3.453Kg,质量减轻了18.75%.
优化设计论文范文结:
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