基于NASTRAN的某輕卡蓄電池鋁合金 支架輕量化研究

方明耀，董勇峰，黃 勤

（江西五十鈴汽車有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330010）

引言

隨著國家物流行業的蓬勃發展，城市物流市場和農村運輸市場對輕卡需求愈發增大，商用輕卡市場銷量節節攀升[1-2]。與此同時，隨著國家嚴格的藍牌上牌政策要求，商用輕卡輕量化減重已經迫在眉睫。

輕量化技術，是指結合相關理論和CAE及試驗等優化方法，采用輕質材料替換等手段，在保證零部件本身的綜合性能持平的條件下，減輕零部件本身的質量。

鋁合金材質，其密度約為鋼材的1/3，同時具有高比強度、抗腐蝕性、高力學性能等優勢，與一般的合金材料相比，其塑性較好，加工工藝簡單，基于此優勢，鋁合金材料在商用車輕量化設計中有著較為突出的優勢，大范圍應用于整車底盤和車身系統結構設計中[3-4]。

蓄電池是輕卡必不可少的一部分，為整車啟動和影音娛樂系統提供必要的電能，整車的性能發揮整車與否與蓄電池系統功能是否良好工作緊密相關，故蓄電池安裝固定支架既要確保本身的結構強度，同時也要實現零部件減重目標。

本文首先利用相關測試設備，在襄陽試驗場對某款輕卡的蓄電池支架進行了道路加速度采集測試分析，隨后利用CAE分析軟件，對蓄電池鋁合金支架輕量化方案分別進行了靜強度分析和有限元模態分析，結果表明，本文研究的蓄電池鋁合金支架輕量化方案成功避開了整車怠速頻率26.7 Hz，在靜態強度工況下，鋁合金支架最大應力均小于6061鋁合金材料屈服極限強度，該支架減重取得減輕1.2 kg效果。

1 蓄電池支架加速度試驗

1.1 襄陽試驗場耐久道路工況

襄陽汽車試驗場是我國汽車行業內著名的綜合性汽車試驗場地，擁有壞路、平路、山路等路面[5]。本文開發的輕卡整車耐久試驗開展的是壞路和山路考核，主要包括扭曲路和比利時路等路面（圖1）。

圖1 襄陽試驗場路面示意圖

1.2 蓄電池支架加速度采集

本文在襄陽試驗場進行了某輕卡蓄電池支架加速度采集試驗，圖2為加速度傳感器布點位置說明，整車GVW質量4 495 kg。

圖2 蓄電池支架加速度傳感器布點位置圖

1.3 蓄電池支架試驗數據分析

本文在襄陽試驗場進行了四輪壞路工況采集，鋁合金蓄電池支架加速度數據測試結果如圖3，蓄電池支架固定端前進方向峰值加速度為1.2 g，Y向峰值加速度為1.8 g，高度方向最大值達到5.6 g，兼顧設計使用余量，本文輸入于鋁合金蓄電池支架強度分析的載荷激勵為X5 g，Y5 g，Z6 g。

圖3 蓄電池支架加速度測試數據

2 蓄電池支架CAE輕量化分析

2.1 模態分析理論

零部件模態頻率及其振型是分析振動特性基礎，通過模態分析可確定結構NVH特性[5]。

某商用輕卡鋁合金蓄電池支架的振動方程為[5]：

式（1）中，[M]是蓄電池系統總質量矩陣；C為蓄電池系統阻尼矩陣；[K]為蓄電池系統總剛度矩陣；為系統加速度向量；{q}為系統位移向量。

2.2 蓄電池鋁合金支架FEA模型

某輕卡車型蓄電池支架通過四個M8螺栓與車架縱梁建立連接，而鉛酸蓄電池模塊通過上壓板與支架建立約束關系。基礎蓄電池支架方案材料為厚度為DC01，厚度為2 mm，基礎方案蓄電池支架重量為3.25 kg，輕量化方案為使用6061系列輕質鋁合金材料，厚度也為2 mm，重量減輕了1.2 kg，該支架為擠壓成型件，模型主要采用長方形單元劃分，蓄電池采用Solid單元模擬，支架后端安裝孔自由度全約束，上壓板和下托板與蓄電池本體采用REB2單元連接，普鋼基礎方案和鋁合金輕量化方案FEA模型見圖4。

圖4 蓄電池支架有限元模型

2.3 蓄電池鋁合金輕量化支架NVH模態分析

本文對蓄電池鋁合金支架輕量化方案進行了NVH模態分析，得到該系統頻率及振型。圖5顯示，蓄電池鋁合金支架輕量化方案自由模態為53.6 Hz，約束模態為184 Hz，該車型整車怠速頻率為26.7 Hz，由分析結果可知，鋁合金輕量化支架有效避開了共振風險，滿足目標。

圖5 蓄電池鋁合金支架輕量化方案CAE模態分析結果

2.4 鋁合金蓄電池輕量化支架強度分析

根據上述測試的加速度數據，本文對鋁合金蓄電池支架輕量化方案進行了結構強度分析，結果表明，其中X5 g工況下，該輕量化支架最大應力為34.4 MPa，Y向5g工況下，該輕量化支架最大應力為29.1 MPa，Z向6 g工況下，該輕量化支架最大應力為121.4 MPa，而6061鋁合金材料屈服強度為240 MPa，因此該蓄電池鋁合金輕量化支架最大應力均小于材料屈服強度，滿足設計目標要求。

圖6 蓄電池鋁合金支架輕量化方案強度分析結果

3 結論

本文基于結合汽車結構和數值分析理論，采用CAE分析軟件，同時測試了襄陽達安試驗場的鋁合金蓄電池支架加速度，對某輕卡蓄電池鋁合金輕量化支架進行了輕量化分析，結果如下：

蓄電池支架加速度實測峰值為X向5 g，Y向5 g，Z向6g。

蓄電池鋁合金支架NVH模態結果顯示，自由模態頻率為53.6 Hz，約束模態頻率為184 Hz，某輕卡的發動機怠速的激勵頻率為26.7 Hz，該輕量化支架避開了怠速共振頻率，滿足目標。

蓄電池鋁合金支架結構強度結果顯示，該支架滿足強度目標要求，同時輕量化效果顯著。