基于OptiStruct拓撲優(yōu)化的新能源電動汽車電池箱蓋輕量化設(shè)計

單豐武 譚敦厚 林靜

1.江鈴集團新能源汽車有限公司 江西省南昌市 330013 2.湖南三合汽車新材料有限公司 湖南省長沙市 410323

1 概述

隨著新能源汽車迅速發(fā)展，提高續(xù)航里程成了亟需解決的問題，對于純電動汽車，重量每減少10%，續(xù)航里程可以增加8%左右[1]。前不久，《中國制造2025》也將輕量化列為汽車重點發(fā)展方向之一。減重對于新能源汽車具有重要意義，已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略層面。汽車輕量化可以從兩個方面入手，一是材料輕量化，二是結(jié)構(gòu)輕量化。由于SMC復(fù)合材料具有質(zhì)輕、耐高溫、尺寸穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高和優(yōu)異的耐腐蝕性能，已經(jīng)成為電動汽車蓄電池箱蓋的制造材質(zhì)之一。本文的研究對象為某款使用SMC材料的新能源汽車電池箱蓋，研究重點為結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，因此這里不再對SMC材料作進一步探討。

目前有限元分析已經(jīng)在工程上得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)也在驗證過程發(fā)展越來越成熟。其中，OptiStruct作為一款功能強大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，已經(jīng)積累了大量應(yīng)用實例，提供全面的優(yōu)化方法：拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化。本文利用其拓撲優(yōu)化功能，對電池箱蓋進行輕量化設(shè)計，試圖設(shè)計出重量最輕的結(jié)構(gòu)。

2 電池箱蓋結(jié)構(gòu)

本文針對新能源電動汽車的某款動力蓄電池箱蓋進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該電池箱蓋原結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，整體壁厚3mm，法蘭邊5mm，局部加強厚度8mm，法蘭邊上設(shè)有螺栓孔與底座安裝，設(shè)計重量為7.337kg。

圖1 電池箱蓋外側(cè)視圖

圖2 電池箱蓋內(nèi)側(cè)視圖

為保證電池箱蓋的結(jié)構(gòu)能得到最大優(yōu)化，舍棄現(xiàn)有的電池箱蓋結(jié)構(gòu)，找出電池箱蓋的可設(shè)計空間，在此空間的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化將重量降至最低。

由于電池箱蓋沒有與其他部件連接，僅與底座裝配后形成整體密封的結(jié)構(gòu)，因此，將底座和內(nèi)部電池組空間（如圖3所示）挖去后就得到了電池箱蓋的內(nèi)部設(shè)計空間。

電池箱蓋的外部界面尺寸沿用原結(jié)構(gòu)，以免引起電池包在車身裝配后與其他部件干涉，最后得到的設(shè)計空間如圖4所示，結(jié)合圖2可以看出設(shè)計空間已將原結(jié)構(gòu)覆蓋。

圖3 電池包的底座和電池組

圖4 電池箱蓋可設(shè)計空間

3 有限元模型建立

由于電池箱蓋有密封要求，因此采用殼單元建立有限元模型，并通過設(shè)置最小的壁厚可避免結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)孔洞。結(jié)構(gòu)上厚度相差較大，抽取中面后結(jié)果并不理想，改為提取電池箱蓋外表面，根據(jù)厚度進行切割并分組。利用HyperMesh的automesh功能對面進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為5，調(diào)整局部質(zhì)量較差的網(wǎng)格后，總共產(chǎn)生76458個單元和76926個節(jié)點。

法蘭邊需安裝螺栓孔，厚度為5mm，不進行優(yōu)化。設(shè)計空間最薄的地方在電池組上方，厚度3.5mm，為加快優(yōu)化進程，其余部分厚度超過8mm的區(qū)域分到同一個component下，初始厚度設(shè)置為8mm，最終的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 電池箱蓋初始有限元模型

4 電池箱蓋的優(yōu)化分析

整車設(shè)計中需對電池箱蓋進行模態(tài)分析，模態(tài)分析可以確定電池箱蓋結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，供設(shè)計人員在設(shè)計時避開這些頻率，防止共振的產(chǎn)生。計算時約束螺栓孔的平動，分析類型選擇normal modes，為了減少計算時間和計算量，只輸出第一階模態(tài)的頻率即可[2]。

普通客車路面激勵約為0～10Hz，再加上發(fā)動機、風(fēng)阻和傳動系統(tǒng)振動等，因此電池箱蓋的頻率不得小于30Hz[3]。

通過OptiStruct對電池箱蓋進行優(yōu)化，進入topology面板創(chuàng)建拓撲優(yōu)化設(shè)計變量，設(shè)計變量為3.5mm和8mm厚的區(qū)域，如圖5所示，為保證電池箱蓋具有密封性，設(shè)置優(yōu)化后的最小壁厚為2mm；通過MIMDIM參數(shù)設(shè)置最小單元尺寸，最小成員尺寸一般為單元平均尺寸的3倍，由于計算模型單元質(zhì)量較好，這里輸入10即可[4]。

考慮優(yōu)化后的形狀需要進行調(diào)整，以及計算和實際的頻率有誤差，將一階模態(tài)頻率約束在35Hz以上，優(yōu)化目標設(shè)置為質(zhì)量最小。

優(yōu)化分析在迭代20次后完成，如圖6所示，最后一步優(yōu)化的重量為6.31kg，該重量僅僅是有限元模型的重量，最終的重量需要在完成結(jié)構(gòu)修改并建立完整的幾何模型后確認。

5 優(yōu)化結(jié)果

通過HyperView打開計算結(jié)果，查看電池箱蓋的密度云圖，如圖7所示，由于法蘭邊不參與拓撲優(yōu)化，這里只顯示設(shè)計區(qū)域的密度云圖。從圖中可以看出電池箱蓋四周的中間部分保留了原始厚度，中間有一條橫向區(qū)域密度較高，該區(qū)域是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)加強筋的位置。

將優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入HyperMesh，對初始計算模型進行修改，修改遵循兩個原則：（1）用直線對電池箱蓋的幾何模型進行切割；（2）保證切割后的區(qū)域盡量覆蓋優(yōu)化后的高密度區(qū)域。最終的有限元模型如圖8所示。

圖6 質(zhì)量-迭代步曲線

圖7 密度云圖

圖8 調(diào)整后的有限模型

為驗證該結(jié)構(gòu)是否滿足使用要求，使用圖8中的有限元模型進行模態(tài)分析，提取一階模態(tài)，頻率為33.8Hz，比設(shè)置的最小約束頻率略低（35Hz），但是大于30Hz，滿足初始的設(shè)計要求。

從最終的有限元模型中輸出幾何面，并導(dǎo)入設(shè)計軟件重新繪制電池箱蓋，添加制造特征后電池箱蓋的數(shù)模如圖10所示，輸出該模型并在設(shè)計軟件中進行試裝配，滿足要求，確定該結(jié)構(gòu)為最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計其重量為6.558kg，比最后一步優(yōu)化的有限元模型（6.31kg）重3.9%，可見OptiStruct優(yōu)化后的有限元模型重量具有較高的參考價值。

6 結(jié)語

本文通過OptiStruct對某型號電池箱蓋進行拓撲優(yōu)化，并對電池箱蓋重新設(shè)計，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)（6.558kg）比原結(jié)構(gòu)（7.337kg）減重10.6%；結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計應(yīng)該摒棄現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和造型，從初始的設(shè)計條件入手，找出可設(shè)計空間，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化；對于有密封要求的結(jié)構(gòu)，建議采用殼單元進行分析；優(yōu)化后的結(jié)果通常形狀復(fù)雜，不利于生產(chǎn)且增加設(shè)計工作量和制造成本，需要手動調(diào)整到可接受形狀；分析前應(yīng)該考慮此調(diào)整帶來的影響，適當提高約束條件，本文將設(shè)計要求中一階模態(tài)的頻率從30Hz提高到35Hz作為約束條件，使最終結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求；在最終的結(jié)構(gòu)尚未完成的情況下，可暫時用優(yōu)化的有限元模型來評估其重量。

圖9 最終結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)

圖10 優(yōu)化后的電池箱蓋