某蓄電池支架開裂分析和優化

葛緒坤 吳澤勛 王德遠 韓旭 楊龍寶

摘要：針對某車型蓄電池支架在路試過程中出現開裂的問題，利用有限元法對支架總成進行強度和模態分析，對開裂原因進行排查。分析結果表明支架總成1階模態固有頻率過低，且開裂位置存在較大的應變能集中，導致支架總成發生共振開裂。根據分析結果對蓄電池支架總成進行優化，其1階模態固有頻率明顯提升，開裂處應變能集中情況顯著改善。路試證明支架未再次發生開裂，優化后的支架總成滿足車型開發要求。

關鍵詞：蓄電池支架; 開裂; 強度; 模態; 結構優化; 有限元

中圖分類號：U463.6;TB115.1

文獻標志碼：B

Cracking analysis and optimization on storage battery bracket

GE Xukun， WU Zexun， WANG Deyuan， HAN Xu， YANG Longbao

（Zhejiang Jizhi New Energy Automobile Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 311328， China）

Abstract：

As to the cracking of a vehicle storage battery bracket during road test， the strength and modal of bracket assembly are analyzed using finite element method， and the cracking reason is studied. The analyses results show that the natural frequency of the first-order modal of bracket assembly is low， and the strain energy is amassed extensively in the cracking position， which leads to the resonance cracking of bracket assembly. The battery bracket assembly is optimized according to the analysis results. The natural frequencies of the first-order modal of the bracket assembly are obviously increased， and the strain energy amassing in cracking position is improved significantly. The road test indicates that the bracket does not crack again， and the optimized bracket assembly meets the requirements of vehicle development.

Key words：

storage battery bracket; cracking; strength; modal; structural optimization; finite element

收稿日期：2019-07-24

修回日期：2019-08-21

作者簡介：

葛緒坤（1989—），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為車身結構耐久及輕量化開發，（E-mail）ge_xukun@163.com

0?引?言

作為車身的一部分，蓄電池支架的主要作用是固定蓄電池，使蓄電池為車輛行駛和車內各種電子系統正常工作提供電能。[1]汽車蓄電池支架結構一般有“幾”字型和“Z”字型2種，通過整體焊接或整體安裝的形式安裝到縱梁上。[2]發動機艙空間有限，因此對蓄電池支架的設計要求較高，應確保其剛度和強度滿足要求。[3]

某轎車蓄電池支架在試驗場強化路試中出現開裂，排查發現支架1階固有頻率較低，是導致其開裂的主要原因，據此對支架結構進行優化設計，達到提升其固有頻率、避免產生共振的目的。

1?蓄電池支架開裂描述

該路試開裂的蓄電池支架結構主要包括蓄電池托盤、電器盒支架和安裝支架3部分，蓄電池支架總成示意見圖1。該支架試驗場強化路試中的開裂位置見圖2，開裂位置位于電器盒支架與車身前輪罩連接處的圓角位置。

2?開裂原因排查

2.1?發動機艙布置分析

該蓄電池支架總成布置于機艙左側、左前輪罩附近，蓄電池質量為13.00 kg，電器盒總質量為0.62kg。由圖1支架總成示意可以看出，電器盒支架與蓄電池托盤為焊點連接，中部僅通過安裝支架固定到左前縱梁上。蓄電池支架總成布置示意見圖3。由此可以看出，蓄電池z向尺寸大，質心也比較高。因此，當蓄電池在y向發生振動時，由于中部安裝點本身剛度較弱，電器盒支架發生受迫振動，可能導致其在路試中發生開裂。

2.2?支架總成強度分析

采用ANSA建立白車身和蓄電池支架總成有限元模型，見圖4。蓄電池采用實體單元模擬，電器盒采用殼單元模擬。

約束車身截面節點6個自由度，在x、y和z向分別施加沖擊載荷，計算得到各方向載荷工況蓄電池支架應力分布云圖，見圖5。應力統計結果見表1。

該蓄電池支架總成材料為DC01，屈服極限為192.0 MPa。在x向載荷下，支架總成滿足強度要求;在y向和z向載荷下，支架總成中部安裝點處存在一定的應力集中，超出材料屈服極限。試驗開裂處應力最大值出現在y向載荷下，最大僅為64.4 MPa，遠低于材料的屈服極限，不是開裂的主要原因。

2.3?支架總成模態分析

對支架總成進行模態分析[4]，得到的應變能密度云圖見圖6。

由圖6可以看出，蓄電池支架總成1階模態固有頻率僅為20.6 Hz，低于產品開發要求（30 Hz以上），振型表現為蓄電池y向振動。同時，支架總成各安裝點周圍應變能密度都比較大，開裂位置應變能集中情況與開裂位置吻合。

因此推斷，支架1階模態固有頻率較低，在路試過程中路面激勵與其總成發生共振導致開裂。

3?結構優化分析

3.1?支架總成優化方案

上述分析認為，固有頻率較低導致結構發生共振是支架總成開裂的主要原因。因此，進行結構優化時應以提升支架總成的模態頻率為主，同時重點解決開裂處應變能集中問題。

結合圖6應變能密度云圖可知：該蓄電池支架總成剛度較弱的主要原因是空間布置存在缺陷，蓄電池托盤僅靠3個螺栓連接到車身上，無法有效支撐蓄電池;中部安裝支架工藝開孔，導致托盤局部剛度較低;電器盒前安裝點處應變能密度也較大。

主要從以下4個方面進行優化：

（1）中部安裝支架由原來的2個改為1個，同時蓄電池托盤局部改為起凸臺結構，增加剛度;

（2）托盤左前方新增1個安裝支架，保證托盤可以有效承擔蓄電池質量;

（3）蓄電池托盤起加強筋;

（4）電器盒支架原開裂處增加翻邊，提高局部剛度，減小應變能集中;對電器盒前安裝點進行加強。

蓄電池支架總成優化方案見圖7。

3.2?支架總成模態校核

優化后支架總成模態分析應變能密度云圖見圖8。由此可以看出：優化后支架總成1階模態固有頻率為34.3 Hz，高于產品開發要求;同時，開裂處應變能集中明顯改善。

3.3?支架總成強度校核

對優化后的蓄電池支架總成結構再次進行強度校核，分析結果見圖9，各工況應力統計結果見表2。

由此可以看出：優化后該蓄電池支架總成在y向載荷下應力最大，為168.5 MPa，低于材料的屈服極限192 MPa;開裂處最大應力仍然出現在y向工況，僅為51.8 MPa，遠低于材料屈服極限。優化后支架總成最大應力和試驗開裂處應力水平較優化前均明顯下降，可滿足強度要求。

將優化后的支架總成安裝到新車上進行耐久性路試，未出現開裂問題，說明優化方法合理。

4?結束語

以某蓄電池支架總成為研究對象，針對其在路試中出現的開裂問題，從發動機艙空間布置、支架強度分析和支架模態分析3個方面進行校核，最終確認是由于其1階模態固有頻率較低導致路試時發生共振而引起開裂。為改善支架總成性能，考慮從提升1階模態固有頻率入手，進行4個方面優化設計，使該總成1階模態固有頻率達到34.3 Hz，滿足產品開發要求，開裂位置應變能集中明顯改善。對優化后的總成進行強度校核，各方向載荷下應力水平較優化前均有明顯降低，可以滿足強度要求。

參考文獻：

[1]索明何， 吳慶捷. 汽車蓄電池支架頻率響應分析及其優化設計[J]. 機械設計與研究， 2019， 35（1）： 196-199. DOI： 10.13952/j.cnki.jofmdr.2019.0130.

[2]何慶稀， 蔡少波. 某MPV汽車蓄電池支架結構分析與設計[J]. 浙江工業大學學報， 2016， 44（4）： 375-378. DOI： 10.3969/j.issn.1006-4303.2016.04.005.

[3]郭維清， 李翠霞. 汽車蓄電池支架模態分析及結構拓撲優化[C]// 2016中國汽車工程學會年會論文集. 上海： 中國汽車工程學會， 2016： 1382-1384.

[4]韓紅陽， 陳有松， 徐穎， 等. 非承載式SUV白車身結構分析及優化[J]. 計算機輔助工程， 2017， 26（2）： 28-32. DOI： 10.13340/j.cae.2017.02.005.

（編輯?武曉英）