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基于Workbench的电池组支架结构分析及优化

【30】 第36卷 第7期

2014-07(下)

收稿日期:2014-03-03

基金项目:国家科技支撑计划项目(2011BAG02B10);江苏高校优势学科建设工程项目(JSGXYSXK2011SS07); 南通市应用研究项目(BK2011028)

作者简介:廖萍(1961 -

),女,江西人,教授,研究方向为先进制造技术与装备。基于Workbench的电池组支架结构分析及优化

Structural analysis and optimization of carriage of batteries based on ANSYS W orkbench

廖 萍1,周陈全1,倪红军1,张 彤2,马智涛2

LIAO Ping 1, ZHOU Chen-quan 1, NI Hong-jun 1, ZHNG Tong 2, MA Zhi-tao 2

(1.南通大学 机械工程学院,南通 226019;2.浙江吉利罗佑发动机有限公司,宁波 315000)摘 要:以混合动力汽车用电池组底部支架为例,建立了其三维有限元模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对预设计底部支架进行静力学及动力学分析,并据此对底部支架进行结

构改进,以在设计阶段预测其工作的性能,并为底部支架的结构优化设计提供理论依据。

关键词:电池组支架结构;静力分析;动力学分析;优化设计中图分类号:TH122 文献标识码:B 文章编号:1009-0134(2014)07(下)-0030-03Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2014.07(下).08

0 引言

电池组底部支架结构是作为混合动力汽车(HEV)车载电池组的承载体,一方面形成电池组冷却结构的底部风道以确保电池组工作在适当的温度范围内[1,2],另一方面它作为电池组的支撑结构,保证电池组在工作过程中始终安全可靠,电池组底部支架作为HEV的支撑部件,其性能对HEV的整车性能有重要影响。电池组底部支架结构达到“高强度、高刚性、轻质量”的要求,以保证其在使用过程中支撑结构不产生裂纹以保证电池组的可靠性,采用基于有限元分析法,对其进行动态结构性能分析及优化,具有重要的工程意义。

1 混合动力汽车用电池组

混合动力汽车用电池组主要由电池模组、底部支撑架、电池模块支架、电池组盖板等部件组成,图1为利用CATIA建立的电池组实体模型。其中,电池模块支架、电池组盖板主要用于防护及形成电池包内部风道,底部支撑架为承重部件,底部支撑架主要由前支撑架、后支撑架、端面连接支架、中间挡风支架及中间连接支架组成。通过CATIA与ANSYS的数据接口将底部支撑架模型导入ANSYS Workbench中,以分析计算其在各种工况载荷下的位移、应力,以确保电池组结构的

工作的可靠性。为保证分析结果准确性的同时提高运算效率,对该实体模型进行了圆角、将孔简化为实体的简化处理,并采用ANSYS Workbench中的“boned”接触单元类型来仿真所有的接触面。

前支撑架、后支撑架、端面连接支架等部件的材料均为镀锌板,其厚度均为2.0mm,密度为7.8×10-6kg/mm 3,杨氏模量为2.0×105MPa,泊松比为0.25,极限抗拉强度为410MPa,取安全系数

为1.3。

图1 电池包散热结构三维实体模型

网格划分是有限元分析的关键步骤,其对计算的难易程度及结果的精度有重要影响[3,4]。本文应用ANSYS Workbench 中薄面扫掠的方法,根据实际模型的大小,在保证网格的规模的同时提高运算效率,网格大小设定为5mm,共得到14957个单元,107265个节点,图2为底部支撑架的有限元

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模型。因电池包工作过程中,电池包底部支撑架前、后支撑架上的四个支撑面通过螺栓连接固定在车厢地板上,故在以上支撑面上施加固定面约束(Fixed Support),以模拟实际情况。

当底部支撑架上固定有重量为66.5Kg的电池组后,支撑架将承受电池组的重力以及电池组的惯性力。汽车最常见的是匀速行驶、颠簸行驶、加速行驶及减速行驶四种工况,对电池包散热结构的分析也是基于这四种工况。下面将对这四种工况分别进行分析计算,得出四种工况下底部支

撑架的等效应力与整体位移。

图2 电池组底部支架有限元模型

2 电池组底部支架强度分析

2.1 混合动力汽车匀速行驶工况

当汽车以巡航速度行驶时,底部支撑架结构主要承受电池组及其自身的重力,此时电池包的重力均匀地施加在底部支撑架与电池组的接触面上。图3为匀速行驶工况下,底部支撑架结构的整

体位移与等效应力求解结果。

(a) 匀速行驶工况应力云图 (b) 匀速行驶工况位移云图

图3 匀速行驶时电池组支架的应力与位移云图

由图3可以看出底部支撑架结构的最大等效应力产生在后支撑架的支撑脚处,最大等效应力为79.5MPa,最大位移出现在端面连接支架与电池包接触的中间部位,且最大位移为0.12mm。2.2 混合动力汽车颠簸行驶工况

当汽车行驶在颠簸路面时,底部支撑架除了承受电池组及其自身的重力外,还将受到由于电池包在起伏过程而产生的沿竖直方向的惯性力,图4为振动测试结果,测试结果表明汽车在颠簸工况中受到最大值惯性力值为670N。将重力及惯性力施加在底部支撑架与电池组的接触面上。图5为颠簸行驶工况下,底部支撑架结构的整体位移与

等效应力求解结果。

图4 电池组振动测试结果

(a ) 颠簸工况应力云图 (b ) 颠簸工况位移云图

图5 颠簸工况时电池组支架的应力与位移云图

由图5可以看出底部支撑架结构的最大等效应力产生在后支撑架的支撑脚处,最大等效应力为158.9MPa,最大位移出现在端面连接支架与电池包接触的中间部位,且最大位移为0.22mm。2.3 混合动力汽车减速工况

在汽车的减速过程中,根据动力性要求,汽车须在3s内将车速从120km/h减速为0,此时底部支撑架除了承受电池组及其自身的重力外,还将受到电池包由于减速而产生的沿水平正方向的惯性力。图7为减速工况下,底部支撑架结构的整体

位移与等效应力求解结果。

(a ) 减速行驶工况应力云图 (b ) 减速行驶工况位移云图

图6 减速行驶时电池组支架的应力与位移云图

由图6可以看出底部支撑架结构的最大等效应力产生在中间挡风连接支架与前支架连接处,最大等效应力为408.3MPa,最大位移出现在前支架的中间部位,且最大位移为1.56mm。2.4 混合动力汽车加速工况

在汽车的加速过程中,根据动力性要求,汽

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车须在10s内将车速从0加速至120km/h,此时底部支撑架除了承受电池组及其自身的重力外,还将受到电池包由于加速而产生的沿水平负方向的惯性力。图7为减速工况下,底部支撑架结构的整体

位移与等效应力求解结果。

(a ) 加速行驶工况应力云图 (b ) 加速行驶工况位移云图

图7 加速行驶时电池组支架的应力与位移云图

由图7可以看出底部支撑架结构的最大等效应力产生在中间挡风连接支架与前支架连接处,最大等效应力为72.5MPa,最大位移出现在前支架的中间部位,且最大位移为0.37mm。

从不同行驶工况的分析结果可以看出:在电池包的工作过程中,底部支撑架的变形主要发生在端面连接支架与电池包接触的中间部位及前支架的中间部位,底部支撑架的最大等效应力产生在中间挡风连接支架与前支架连接处。当混合动力汽车以减速工况行驶时,底部支撑架的最大位移与最大等效应力在整个过程中均达到最大值,最大位移为1.56mm,最大等效应力为408.3MPa,超过了底部支撑架采用的镀锌板的屈服强度310MPa,故其结构强度不能满足设计要求,需对其结构进行改进。

3 电池组底部支架结构优化

底部支撑架结构设计应满足其强度要求,而有限元分析结果表明,其中间挡风连接支架与前支架连接处的等效应力超出材料的屈服强度,因此,需要对底部支撑架的结构进行改进。在优化设计中,前、后支架主要通过增加支撑点,并且在后支架支撑脚两侧进行翻边,以提高支撑架的强度,为提高中间挡风连接支架的强度、刚度,增加其宽度,以增大与前后支架的焊接面积。图8为底部支撑架优化前、后结构对比。

底部支撑架的有限元分析结果表明,当混合动力汽车以减速工况行驶时,底部支撑架的最大位移与最大等效应力在电池包工作过程中均达到最大值,在此条件下对优化后的底部支撑架进行比较分析。图9为混合动力汽车以减速工况行驶时

的位移与等效应力求解结果。

(a) 优化后电池组支架的应力云图 (b) 优化后电池组支架的位移云图

图9 减速行驶时优化后电池组支架位移及应力云图

从图9可以看,优化后的底部支撑架结构在危险工况(减速行驶时),底部支撑架的最大等效应力产生在中间挡风连接支架与前支架连接处,最大等效应力为208.4MPa,远小于其材料的屈服强度,满足其强度设计要求。

4 结束语

本文通过Catia软件建立电池包底部支撑架的三维模型,并利用软件接口将模型导入到ANSYS Workbench中,在Workbench中对其进行结构的强度、刚度校核,得到底部支撑架静、动态特性云图。基于有限元分析结果对其结构进行优化,并试制了电池包散热结构,结果表明:电池包散热底部支架结构整体强度增强,满足使用要求;底部支撑架的刚度明显提高,保证了电池组的可靠性,达到预期优化目标。参考文献:

[1] 眭艳辉,王文,夏保佳.等.混合动力汽车镍氢电池组通风

结构优化分析[J].汽车工程,2010(32)3:203-208.[2] 眭艳辉.混合动力车用镍氢电池组散热结构研究[D].上

海:上海交通大学,2010:21-24.[3] 刘宝波,谭柏春,李红勋.等.基于ANSYS Workbench

的集装箱双面吊车架的强度设计[J ].现代制造工程,2011,(9):130-133.[4] 周孜亮,王贵飞,丛明.基于ANSYS Workbench 的主轴箱

有限元分析及优化设计[J].组合机床与自动化加工技

术,2012(3):17-20.

(a )优化前 (b )优化后

图8 底部支架结构优化前后对比

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