某新能源轻客电池包支架强度分析及轻量化设计

黄杰文

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330200）

引言

新能源汽车属于清洁能源，能够大幅度缓解石油压力，应对资源紧张问题，并且能够达到尾气的零排放。在新能源汽车中，电池包提供主要的能量来源，是非常重要的动力系统，电池包支架将电池包安装固定在车身底部，其结构的强度性能直接影响整车的可靠性和安全性。电池包支架是复杂的受力结构，当车辆行驶在颠簸路面时，其载荷比较复杂，若其强度性能不足，容易造成疲劳风险，大大降低了整车的稳定性。为了校核某新能源轻客电池包支架的强度性能，首先采用有限元方法建立电池包支架离散化模型，然后对其制动、转弯和上跳和下跳工况的强度性能进行分析，最后基于集成平台对其进行轻量化设计和实车验证。

1 有限元理论

有限元分析的基本思想是首先将结构进行离散化处理，划分成若干个有限元单元，然后构建平衡方程组，最后基于变分原理求解平衡方程组。有限元方法具有较高的灵活性和可靠性，能够准确获取结构的各项特性。结构载荷与位移的运动方程[1-2]为：

式中：K是结构的刚度矩阵；f是结构的载荷列阵；q是结构的位移列阵。

2 强度性能分析

2.1 建立有限元模型

如图1所示，为某新能源轻客电池包支架三维模型。该电池包支架主要由多根横梁、纵梁和连接支架组成，将电池包通过螺栓与车身底部连接在一起，为整车提供电力动源。电池包支架的总重量为32.5 kg，电池包支架的材料为QSTE 460TM，其屈服强度为460 MPa。

图1 电池包支架三维模型

首先将电池包支架三维模型导入前处理软件Hypermesh[3-4]中，抽取其各个零部件的中面，同时对其各个表面进行几何清理，删除缺失面和微小特征，然后采用5 mm的四边形单元对其进行离散化处理，过渡区域允许少量的三角形单元，螺栓孔周围采用均匀整齐的四边形以避免发生应力集中现象。焊缝采用ACM（Shell Gap）单元模拟连接，螺栓单元RB2单元模拟连接。建立材料属性并赋予各个部件，以此建立该电池包支架有限元模型。同时为了准确获取电池包支架的性能，将其装配在整车模型中，左右两个电池包的重量分别为230 kg和198 kg，如图2所示。

图2 电池包支架有限元模型

2.2 强度分析结果

车辆在行驶过程中，电池包支架受力比较复杂，其主要工况分制动、转弯、上跳和下跳。为了获取电池包支架的强度性能，基于电池包支架有限元模型，并且采用Nastran软件[5]约束前悬架12456自由度，约束后悬架12346自由度，约束前、后减震器Z向自由度。电池包支架在制动工况时，主要承受纵向载荷和垂直向下载荷，因此设置X向1G，Z向－3G，以此对其进行静态分析。如图3所示，为电池包支架制动工况的应力分布云图，由图3可知，电池包支架的应力集中点位于其第三横梁处，其最大应力值为404.3 MPa，低于材料屈服值，能够满足性能要求。

图3 制动工况的应力分布云图

电池包支架在转弯工况时，主要承受横向载荷和垂直向下载荷，因此设置Y向1G，Z向－3G，以此对其进行静态分析。如图4所示，为电池包支架转弯工况的应力分布云图，由图4可知，电池包支架的薄弱点位于后连接支架处，其最大应力值为404.5 MPa，小于材料许用应力，符合设计要求。

图4 转弯工况的应力分布云图

电池包支架在上跳工况时，主要承受垂直向上载荷，因此设置Z向2.5 G，以此对其进行静态分析。如图5所示，为电池包支架上跳工况的应力分布云图，由图5可知，电池包支架的最大应力为301.3 MPa，低于材料极限值，满足强度性能要求。

图5 上跳工况的应力分布云图

电池包支架在下跳工况时，主要承受垂直向下载荷，因此设置Z向－3 G，以此对其进行静态分析。如图6所示，为电池包支架下跳工况的应力分布云图，由图6可知，电池包支架在受到垂向重力载荷时，后连接支架的应力值达到最大，为421.8 MPa，仍然符合使用要求。

图6 下跳工况的应力分布云图

3 轻量化设计

3.1 轻量化手段

通过基于电池包支架强度性能分析可知，其主要受力工况的应力水平均低于材料屈服值，具有一定的轻量化可能。基于Isight软件[6]加载电池包支架有限元模型，并对电池包支架各个零部件的厚度值进行参数化处理，同时集成其强度性能分析命令流，以电池包总重量最小化为目标函数，设置其最大应力值小于460 MPa，并且采用自适应模拟退火算法对其进行轻量化设计。

3.2 轻量化结果

如图7所示，为优化之后电池包支架在下跳工况的应力云图。由图7可知，优化之后电池包支架的最大应力值为455.5 MPa。与此同时，其制动工况、转弯工况和上跳工况的最大应力值分别为436.6 MPa、436.8 MPa和325.4 MPa，其应力值均小于目标值，能够满足强度性能设计要求，可以有效降低故障率，减小疲劳失效风险。与此同时，优化之后电池包支架的总重量降低至30.2 kg，成功减重7.1%，有效降低了整车重量，能够提升燃油经济性。

图7 优化后下跳工况的应力分布云图

4 结论

基于有限元理论建立电池包支架网格模型，采用Nastran软件约束车身的自由度，对其在制动、转弯、上跳和下跳工况的强度性能进行仿真分析，得到其最大应力值分别为404.3 MPa、404.5 MPa、301.3 MPa和421.8 MPa，均小于材料屈服值，符合设计要求。基于Isight集成软件对电池包支架的厚度值进行优化设计，优化后电池包重量降低至30.2 kg，减轻了7.1%，实现了轻量化的目的。