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基于拓扑和形貌优化的电动汽车动力电池箱轻量化分析

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发表于 2020-8-19 17:40:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】基于拓扑和形貌优化的电动汽车动力电池箱轻量化分析
袁 林1,赵清海1,2,张洪信1,付 磊1,王文玥1
(1.青岛大学 机电工程学院,青岛 266071;2.青岛大学 电动汽车智能化动力集成技术国家地方联合工程研究中心,青岛 266071)
摘 要:为实现某电动汽车动力电池箱的轻量化设计,首先建立电池箱的三维模型,并对电池箱在颠簸路面、颠簸路面急刹车和颠簸路面急拐弯三种工况下进行静态分析和动力学模态分析。根据分析结果,对电池箱进行分区域优化设计。对电池箱底部为避免单目标拓扑优化的局限性,基于折衷规划法,以静态多工况下刚度和动态特征值为目标进行静动态多目标拓扑优化;对电池箱侧围以提高一阶模态频率为目标进行形貌优化。最后依据优化结果提出了电池箱的优化设计方案并对重新设计的电池箱进行静动力学性能对比验证。结果表明,优化后的电池箱在满足强度和刚度的前提下,实现了轻量化设计,该方法为电动汽车动力电池箱的设计提供了参考。
关键词:电池箱;轻量化;折衷规划法;多目标拓扑优化;形貌优化
0 引言
能源安全和环境污染问题,使得新能源汽车得到快速发展和大规模应用,动力电池箱作为电动汽车的能量供给源,是新能源汽车的核心动力部件。同时为了满足电动汽车的动力性能需求,必须装备大量的动力电池,这显著增加了电动汽车的整备质量。鉴于此,进行动力电池箱的轻量化设计,对提升电动汽车的行驶里程有重要的作用。国内外学者在电动汽车电池箱实验设计和数值仿真方面都展开了许多的研究工作。M.Hartmann和M.Roschitz等人[1]通过使用软件Optistruct,将电池箱的固有频率提高到与车辆激励频率范围之上,并通过减少电池箱的厚度,实现电池箱的轻量化设计。桑林等人[2]采用MSC.Patran和MSC.Nastran软件,研究了电池箱在振动情况下的结构动力学、模态特性分析和激励的频率响应,并进行了实验验证。杨书建[3]分析了电池箱的静动态特性和定频振动特性,并在此基础上利用Hyperworks软件,优化设计了电池箱顶盖和底板上加强筋的分布形状和尺寸,实现了电池箱的轻量化设计。基于此,本文提出了一种新的电池箱优化设计方法。依据静态和动态有限元分析结果,对电池箱进行分区域优化设计,对电池箱底部进行多目标拓扑优化设计。对电池箱侧围进行形貌优化设计。结构改进后的电池箱静动态性能都得到了提高,而电池箱质量从20.02kg减少到16.59kg,下降了17.13%。该方法为电池箱轻量化的设计提供理论依据和方案借鉴。
1 电池箱有限元模型的建立
某型电动汽车动力电池箱主要包括箱体、电池组模块、压条、长螺杆和固定支架。电池箱布置在车身中部地板下部位置,该电池箱设计为无盖长方体,长宽高为686mm×616mm×253mm,电池箱箱体的总质量为20.02kg,1个电池组模块的质量为25kg,4个电池组模块总质量为100kg。电池箱箱体承载示意图如图1所示。使用CATIA软件创建电池箱箱体和固定支架的三维模型,将模型保存为STP格式导入到Hypermesh中进行网格划分,在不影响计算精度的前提下,清除不必要的几何特征,来简化模型。对模型进行抽取中面,采用壳单元划分网格,网格尺寸为5mm×5mm,划分完成后共计单元90574个,节点90656个。箱体、固定支架采用Q235钢,表1列出了Q235钢的材料性能参数。表2列出了电池箱各组件的厚度。电池箱的有限元模型如图2所示。

图1 箱体承载示意图

图2 电池箱箱体有限元模型
表1 Q235钢的材料性能参数

表2 电池箱各组件厚度

2 电池箱有限元模型的分析2.1 电池箱静态特性的分析
对电池箱进行静态有限元分析,用于计算电池箱在典型工况下的应力和变形的分布,来检验电池箱结构能否具备足够的强度,为电池箱的轻量化设计提供数据参考。
2.1.1 典型工况的选取
汽车在路面上行驶,会面临各种复杂的载荷情况。参照汽车主机厂提供的相关工况并结合相关文献[4],选取颠簸路面、颠簸路面急刹车和颠簸路面急转弯作为典型工况[5,6]。在电池箱承载电池组模块的前提下,确定电池箱典型工况加载,如表3所示。为模拟实际的工作状态,约束电池箱固定支架处螺栓X、Y、Z三个方向的平动自由度与转动自由度。电池模组总质量为100kg,根据各典型工况加速度,将静态载荷力均匀分布在电池箱的底部和侧围节点上,模拟电池组模块对电池箱的作用力[7]。
表3 电池箱典型工况下加载情况

2.1.2 各典型工况计算分析结果
三种典型工况的分析结果如图3~图5所示。在三种典型工况下,最大应力发生在颠簸路面急转弯工况下为206.8MPa,没有超过电池箱的屈服强度235MPa,但安全系数较低。最大变形发生在颠簸路面工况下为11.3mm。且电池箱的最大应力均发生在箱体与固定支架连接处,最大变形均发生在箱体底部。在后续的轻量化设计中,对箱体底部进行多目标拓扑优化改进设计,以提高电池箱强度和刚度。

图3 颠簸路面应力和变形云图

图4 颠簸路面急刹车应力和变形云图
2.2 电池箱动态特性的分析
图5 颠簸路面急转弯应力和变形云图
为防止电动汽车在运行时产生的多种激励和电池箱固有频率相近而产生共振,需要对电池箱进行模态分析,本文计算了电池箱的前三阶模态频率,表4列出了电池箱的前三阶固有频率,第一阶振型如图6所示。
表4 电池箱前三阶模态频率


图6 第一阶阵型图
汽车行驶过程中,主要振动激励频率在1~30Hz之间[8]。由一阶模态阵型图可知,电池箱的振动主要集中在电池箱侧壁,且第一阶固有频率仅为18.60Hz,有可能发生共振,说明电池箱侧围动刚度不足,在接下来的轻量化设计中要对电池箱侧围进行形貌优化改进设计,以提高电池箱的刚度。
3 电池箱底部多目标拓扑优化设计3.1 静态多工况拓扑优化数学模型
静态拓扑优化是研究最大刚度下材料分布形式的问题。由于电池箱受到不同工况的静载,因此电池箱的静态拓扑优化是典型的多工况下刚度拓扑优化问题。对此采用线性加权法定义电池箱平均柔度目标函数,以柔度最小为优化目标,以体积分数比为约束条件,基于变密度法的电池箱多工况拓扑优化数学模型为[9]:

式中,ρ是设计区域内的单元密度值;wk表示第k个工况的权重;m是工况数目;q是惩戒因子,本文取q=2;Ck(ρ)是第k个工况的柔度值;

分别是第k个工况单独进行优化时柔度目标函数的最大值和最小值;Kk是第k个工况下的结构载荷矢量;Uk是第k个工况下的节点位移矢量;Fk是第k个工况下的结构刚度矩阵。
3.2 动态特征值拓扑优化数学模型
对电池箱底部进行动态固有频率的优化以最大化低阶固有频率为目标,为克服目标函数振荡现象,采用平均特征值公式定义电池箱动态拓扑优化的目标函数,基于变密度法的电池箱动态特征值拓扑优化模型为[10]:

式中,Λ(ρ)是平均特征值;h是优化的特征值阶次;λi是优化的电池箱第i阶特征值;wi是第i阶特征值对应的权系数;α和λ0i是给定参数,α=1,λ0i=0;f是体积分数比,取f=40%。
3.3 电池箱底部静动态多目标拓扑优化数学模型
以体积分数比作为约束条件,以静态多工况下刚度和动态特征值为目标,基于折衷规划法的电池箱多目标拓扑优化数学模型为[11]:

式中,Λmax和Λmin分别是进行动态特征值优化的最大值和最小值。w是柔度目标函数的权系数,取值区间[0,1]。
当得到一系列帕累托解后,为确定最优妥协解即权系数w的最优值,建立的判别函数为[12]:

式中,

是第i个目标函数的理想最优解。判别函数的值即决策因子z最小的数值所对应的帕累托解就是多目标优化的最优妥协解。
3.4 电池箱底部多目标拓扑优化参数设置
基于上述静动态多目标拓扑优化理论,详细的参数设置如表5所示。
表5 静动态多目标拓扑优化设置

3.5 电池箱底部拓扑优化结果
经优化迭代,电池箱底部多目标拓扑优化的结果如表6所示。当w=0.8时,得到最优妥协解,迭代次数为34次,加权目标函数迭代曲线和最优的电池箱底部多目标拓扑优化结果云图如图7所示。
表6 电池箱底部静动态多目标拓扑优化结果

表6(续)


图7 多目标拓扑优化结果
4 电池箱侧围形貌优化设计4.1 形貌优化参数设定
由电池箱的动态分析可知,电池箱第一阶模态频率较低,且电池箱振动主要发生在电池箱侧围,通过在电池箱侧围布置加强筋的方法来增加电池箱强度。设定电池箱侧围为优化设计区域,优化目标是第一阶固有频率最大,设定加强筋的最小宽度为8mm,起筋角度为60°,最大起筋高度为4mm。同时在设计区域和非设计区域之间设置缓冲区域[13]。
4.2 形貌优化结果
电池箱侧围优化后的结果如图8所示,显示了电池箱侧围加强筋的大致结构形状。红色区域表示需要增加加强筋,增加的厚度为1.6mm。

图8 电池箱侧围形貌优化结果云图
5 电池箱结构改进设计
根据电池箱底部多目标拓扑优化和电池箱侧围形貌优化结果,同时考虑制造工艺性等要求,改进后的电池箱结构如图9所示。在电池箱底部布置厚度为1mm的横纵交互加强筋,在电池箱侧围布置厚度为1.6mm的纵向加强筋。电池箱侧围和底部的其他部分材料厚度由2mm减少为1mm,固定支架处材料厚度不变。电池箱的质量从20.02kg减少17.13%至16.59kg。

图9 改进后的电池箱结构
6 电池箱结构性能验证6.1 静态性能分析
对优化后的电池箱进行静态性能的分析,优化前后各性能参数对比如表7所示。由电池箱三种工况下的静力学分析结果可知,改进后的电池箱最大应力和最大变形都有所减少,强度和刚度得到了提高。三种工况的应力云图和变形云图如图10~图12所示。

图10 优化后颠簸路面

图11 优化后颠簸路面急刹车

图12 优化后颠簸路面急转弯
表7 电池箱静力学分析性能对比

6.2 动态性能分析
电池箱改进设计后,电池箱的一阶固有频率为31.90Hz,比优化前增加了13.3Hz,超过了电动汽车振动激励频率30Hz的要求[14],且电池箱的振动主要集中在电池箱底部区域,满足了设计要求。优化后的一阶模态阵型图如图13所示。

图13 优化后一阶模态阵型图
7 结语
针对电动汽车动力电池箱轻量化设计的要求,对电池箱进行静动态特性的分析,根据有限元分析结果对电池箱进行分区域的优化。对电池箱底部采用静动态多目标拓扑优化设计,获得了电池箱底部加强板布局方案。对电池箱侧围采用形貌优化设计,获得电池箱侧围加强筋布局方案。经优化设计后的电池箱,强度刚度都有所提高,同时实现了轻量化设计。本文提出的研究方法可为电池箱轻量化的设计提供借鉴。

参考文献:
[1]Hartmann M,Roschitz M,Khalil Z.Enhanced Battery Pack for Electric Vehicle: Noise Reduction and Increased Stiffness[J].Materials Science Forum,2013,765(7): 818-822.
[2]桑林,叶健诚,董晨.电动汽车动力电池箱模态分析和试验研究[J].制造业自动化,2013,35(22):77-79.
[3]杨书建.电动汽车电池箱动静态特性分析及其结构优化设计[D].湖南:湖南大学,2012.
[4]王露.电动汽车动力电池箱结构稳健优化设计[D].北京:北京理工大学,2016.
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[6]刘昭度.汽车学[M].北京:高等教育出版社.2012:638-646.
[7]王丽娟.车用动力电池包结构CAE分析优化研究[D].南京理工大学,2015.
[8]姜高松.某纯电动汽车电池箱结构设计分析及优化[D].湖南大学,2016.
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[10]范文杰,范子杰,苏瑞意.汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究[J].中国机械工程,2008(12):1505-1508.
[11]张兰春,赵清海,张洪信,陈潇凯,张铁柱.汽车动力总成悬置支架的多目标拓扑优化[J].汽车工程,2017,39(05):551-555.
[12]占金青,张宪民.连续体结构的静动态多目标拓扑优化方法研究[J].机械强度,2010,32(6):933-937.
[13]汤贵庭.电动汽车快换动力电池箱结构优化及轻量化设计[D].重庆:重庆交通大学,2016.
[14]林逸,马天飞,姚为民,等.汽车NVH特性研究综述[J].汽车工程,2002,(3):177-181,186.



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