基于修正S-N曲線的電池包支架疲勞仿真影響因素分析研究

閆鵬飛

(一汽豐田技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 天津300462)

0 引 言

車輛性能開(kāi)發(fā)過(guò)程包含安全性能開(kāi)發(fā)、強(qiáng)度性能開(kāi)發(fā)、NV 性能開(kāi)發(fā)、CFD性能開(kāi)發(fā)等，因與車輛的品質(zhì)息息相關(guān)，直接影響到品牌在市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力，所以各大廠商都十分注重這些方面的研發(fā)與品質(zhì)管理。同時(shí)，車輛的疲勞性能直接體現(xiàn)該品牌車輛在市場(chǎng)上的行駛里程，這是用戶非常關(guān)心的品質(zhì)參數(shù)，因而在車輛研發(fā)過(guò)程中，準(zhǔn)確地判斷車輛的疲勞性能顯得尤為重要[1]。

本文結(jié)合一汽豐田某款純電動(dòng)客車的電池包支架搭載的疲勞仿真開(kāi)發(fā)為例，從 S-N曲線角度研究影響車輛疲勞性能的參數(shù)。S-N曲線是評(píng)價(jià)車輛疲勞性能不可避免的最主要的影響因素[2]，若缺少材料的S-N曲線，將很難對(duì)車輛的疲勞性能做出判斷。本文針對(duì) S-N曲線方面展開(kāi)研究，為車輛疲勞性能的仿真開(kāi)發(fā)提供參考。

1 電池包支架仿真中S-N曲線的修正

1.1 S-N曲線

我們通常所說(shuō)的材料的 S-N曲線是使用光滑試棒做成的標(biāo)準(zhǔn)件，在拉壓彎扭作用下的疲勞壽命表示曲線，如圖1所示。

圖1 材料S-N曲線示意圖Fig.1 Diagram of material S-N curve

1.2 修正S-N曲線模型

一般汽車零部件都是經(jīng)過(guò)相應(yīng)的加工精度和熱處理工藝的部品，其結(jié)構(gòu)也都不盡相同，因此僅僅使用材料試棒的 S-N曲線進(jìn)行疲勞仿真分析，與真實(shí)的情況存在較大出入。為了提高仿真分析精度，通常的做法是會(huì)對(duì)材料的 S-N曲線進(jìn)行修正。對(duì) S-N曲線修正的方法通常有 2種，第 1種是基于 Miner Modified準(zhǔn)則，即在疲勞極限以下的部分按照斜率為2k-1進(jìn)行修正；第 2種是基于 Miner Elementary準(zhǔn)則，即在疲勞極限以下的部分按照原斜率 k進(jìn)行延伸，如圖2所示。

圖2 不同修正方法的S-N曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of S-N curve with different correction methods

2 基于 S-N曲線的某電池包支架疲勞強(qiáng)度仿真分析比較

根據(jù)從北京通縣采集的路譜數(shù)據(jù)，結(jié)合企業(yè)開(kāi)發(fā)目標(biāo)公里數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在本次仿真分析中，通過(guò)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后給電池包一個(gè)振動(dòng)載荷譜，用于疲勞仿真計(jì)算，將有限元計(jì)算結(jié)果與 S-N曲線進(jìn)行比較，根據(jù)其對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)及目標(biāo)值循環(huán)次數(shù)，得到其損傷值(d1)，計(jì)算方法如圖3所示。

圖3 損傷值計(jì)算示意圖Fig.3 Diagram of damage value calculation

其中，Damage(d1)值是根據(jù) Miner準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算的有限元模型的損傷值[3]，本文所述的不同修正方法的S-N曲線為變量，其余均為相同的設(shè)置參數(shù)。

2.1 基于Minner-Original的S-N曲線疲勞仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)該電池包局部模型的有限元分析，支架安裝點(diǎn)區(qū)域的Z方向的有限元應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。

圖4 電池包支架計(jì)算應(yīng)力圖Fig.4 Calculation stress diagram of battery pack bracket

本次研究主要關(guān)注點(diǎn)在螺栓連接部位。因?yàn)槁菟ǖ膭偠容^大，并且采用了凸焊螺母的形式，為了便于后期電池包的維修，又必須是可拆卸部品，所以螺栓安裝點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度性能直接關(guān)系到該電動(dòng)車的品質(zhì)和今后在用戶處的口碑。以圖中某一個(gè)螺栓安裝點(diǎn)為例進(jìn)行研究分析，將局部應(yīng)力結(jié)果放大后如圖 5所示。

圖5 螺栓孔應(yīng)力圖Fig.5 Diagram of bolt hole stress

該螺栓孔處的應(yīng)力值 σ1= 2 02MPa，結(jié)合材料的基于 Minner-Original的 S-N曲線，計(jì)算出其疲勞壽命，循環(huán)次數(shù)n1=6.1萬(wàn)次。我們的 S-N曲線對(duì)應(yīng)的目標(biāo)循環(huán)次數(shù)為 10萬(wàn)次，因此其損傷值0.61。接下來(lái)我們進(jìn)行基于修正的 S-N曲線的損傷值計(jì)算。

2.2 基于 Minner-Elementary修正的 S-N曲線疲勞仿真結(jié)果

通常由于加工工藝等因素的影響，在疲勞仿真分析中會(huì)進(jìn)行 S-N曲線的修正，雖然精度會(huì)有所提升，計(jì)算時(shí)間和工作量也會(huì)相應(yīng)增加。為了便于研究其修正 S-N曲線對(duì)于分析結(jié)果的影響趨勢(shì)，本文以基于Minner-Elementary修正的S-N曲線方法為例進(jìn)行說(shuō)明。將模型導(dǎo)入到FEMFAT軟件中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)為與2.1同樣的應(yīng)力幅值(Stress Amplitude)和循環(huán)次數(shù)(N)，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 損傷值計(jì)算模型圖Fig.6 Diagram of damage value calculation model

S-N曲線進(jìn)行修正前后對(duì)比如圖7所示。

圖7 S-N曲線修正前后對(duì)比圖Fig.7 Comparison before and after S-N curve correction

前與上述修正相應(yīng)，Haigh圖也會(huì)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的修正，其修正后對(duì)比如圖8所示。

圖8 修正前后Haigh圖Fig.8 Haigh diagram before and after correction

通過(guò)對(duì)與 2.1同一位置的螺栓孔處的損傷值進(jìn)行分析可知，螺栓孔附近的最大損傷值的位置，與2.1計(jì)算的結(jié)果保持一致，結(jié)果如圖 9所示。該損傷值最大的節(jié)點(diǎn)載荷和損傷值結(jié)果見(jiàn)圖10。

該支架基于Minner-Elementary修正的S-N曲線損傷值的實(shí)際循環(huán)次數(shù)n2=6.1萬(wàn)次，保持不變，其損傷值計(jì)算結(jié)果為萬(wàn)次。那么可以看出，材料 S-N曲線經(jīng)過(guò)修正后，再次計(jì)算時(shí)修正后的危險(xiǎn)點(diǎn)的可循環(huán)次數(shù)[N]會(huì)增大，其損傷值則有一定幅度的降低。

圖9 螺栓孔損傷值分布圖Fig.9 Distribution of bolt hole damage value

圖10 載荷和損傷值結(jié)果圖Fig.10 Result chart of load and damage value

2.3 結(jié)果比較分析

首先以與 2.2同樣的方法計(jì)算出該支架基于Miner-Modified修正的S-N曲線的損傷值結(jié)果、循環(huán)次數(shù)結(jié)果，然后對(duì)比 3種分析方法的結(jié)果，得到其差異情況如圖11所示。

圖11 損傷值結(jié)果對(duì)比圖Fig.11 Comparison of damage value results

其中，對(duì) S-N曲線的k值修正最大的 S-N曲線的損傷值結(jié)果與材料未經(jīng)修正的損傷值結(jié)果相比有下降趨勢(shì)，下降幅度約為 14.8%，而修正幅度較小的基于Miner-Modified修正的S-N曲線的損傷值結(jié)果也同樣有下降趨勢(shì)，下降幅度約為 9.8%，與理論預(yù)期結(jié)果相同，符合真實(shí)情況。這表明，企業(yè)可以根據(jù)不同的情況進(jìn)行 S-N曲線的修正，結(jié)合加工工藝、企業(yè)安全系數(shù)等相關(guān)因素進(jìn)行疲勞仿真分析。

3 結(jié)論及展望

①通過(guò)對(duì)疲勞仿真分析中最根本的影響因素 SN曲線的修正影響進(jìn)行分析，定性驗(yàn)證了影響趨勢(shì)與理論認(rèn)知的一致性，為今后的疲勞仿真開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)提供參考。

②下一步可以針對(duì)多點(diǎn)、多模型等大量的疲勞仿真分析數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析研究，在明確分析精度的前提下，從提高分析影響因素的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究層面進(jìn)行驗(yàn)證研究。