基于輕量化設(shè)計的電池箱有限元模態(tài)分析*

向 瑾

(晉中學(xué)院 機(jī)械系，山西 晉中 030619)

0 引言

電池作為電動汽車動力的主要來源，其安全性至關(guān)重要。為保證電池安全性，設(shè)計出電池箱作為其防護(hù)結(jié)構(gòu)。通過UG軟件建立壁厚分別為5 mm和3 mm的電池箱三維模型，并將其導(dǎo)入ANSYS中，利用有限元法分析電池箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，在結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度需求的基礎(chǔ)上，為避免電池箱在汽車駕駛途中出現(xiàn)共振，對壁厚分別為5 mm和3 mm電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，為電池箱結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 電池箱強(qiáng)度及剛度有限元分析

1.1 電池箱結(jié)構(gòu)建模

本文所分析的電動汽車電池分布于車廂底部，因此起保護(hù)作用的電池箱也位于車廂底部，其結(jié)構(gòu)主要包括電池箱上蓋板和箱體兩部分，通過螺栓將其固定在車廂底部。利用UG對電池箱建模，考慮到上蓋板不受力，主要對電池箱箱體進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 電池箱模型

電池箱箱體模型壁厚分別為5 mm和3 mm，為后續(xù)箱體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化提供仿真依據(jù)。

將建立的模型導(dǎo)入ANSYS中，箱體材質(zhì)為Q235，其彈性模量為2.06×1011Pa、泊松比為0.3、密度為7 800 kg/m3，分析單元選擇為Solid185[1]。兩種壁厚電池箱的有限元分析模型劃分單元數(shù)分別為71 999和68 255，節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為216 221和19 233。

1.2 電池箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度分析

電池箱通過螺栓固定在車廂底部，對螺栓孔進(jìn)行X、Y、Z方向約束。沿Z軸豎直向下加載重力加速度g=-9.8 N/m2，電池箱內(nèi)電池組重量m=95 kg，其對電池箱底部產(chǎn)生豎直向下的均布載荷F=-95×9.8=-931 N。通過有限元仿真得到的電池箱應(yīng)力和位移云圖如圖2所示。

由圖2(a)可以看出，壁厚5 mm箱體最大應(yīng)力出現(xiàn)在箱體側(cè)壁，其值為0.925 MPa；圖2(c)中壁厚3 mm箱體最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在箱體側(cè)壁，其值為1.97 MPa，遠(yuǎn)小于Q235材料屈服應(yīng)力235 MPa，強(qiáng)度滿足需求[2]。

由圖2(b)和圖2(d)可知，壁厚5 mm和3 mm箱體最大位移均出現(xiàn)在箱體底部中心，最大值分別為0.481×10-2mm、0.011 3 mm。壁厚為5 mm箱體與3 mm箱體變形量非常小，剛度足夠[3]。

圖2 電池箱體應(yīng)力及位移分布云圖

2 電池箱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析

根據(jù)振動力學(xué)知識，n階線性系統(tǒng)運(yùn)動方程可以通過以下公式表示:

(1)

在工程問題中，阻尼對系統(tǒng)固有頻率及振型影響較小，因此分析時不考慮阻尼對系統(tǒng)的影響，假設(shè)F(t)為0，則得到系統(tǒng)的自由振動方程為:

(2)

Y=Asin(ωt+φ).

(3)

其中：A為位移振幅；ω為固有頻率；φ為相位角。

將式(3)代入式(2)，可得:

(K-ω2M)A=0.

(4)

如果式(4)解為非零解，需滿足條件:

∣K-ω2M∣=0.

(5)

對式(5)進(jìn)行求解，得到系統(tǒng)振動固有頻率ω1,ω2,…,ωn，將ω1,ω2,…,ωn代入式(3)，得到與ω1,ω2,…,ωn對應(yīng)的各階振型[4,5]。

2.2 電池箱模態(tài)分析結(jié)果

為防止電池箱在電動車駕駛過程中產(chǎn)生共振，對箱體進(jìn)行自由模態(tài)分析。模態(tài)提取方法為Block Lanczos[6]，頻率分析范圍為1 Hz～500 Hz。不同壁厚下電池箱的前5階固有頻率及振型分別如表1、表2及圖3、圖4所示。

表1 壁厚5 mm箱體前5階固有頻率

由表1及表2可以看出，壁厚3 mm箱體固有頻率整體<壁厚5 mm箱體固有頻率，與壁厚為3 mm箱體質(zhì)量較輕有關(guān)。從圖3與圖4可以看出，壁厚5 mm箱體與壁厚3 mm箱體振型趨勢較為一致。第1階振型：箱體側(cè)壁在Y方向發(fā)生振動；第2階振型：箱體側(cè)壁在Y、Z方向發(fā)生振動；第3階振型：箱體整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)；第4階振型：箱體側(cè)壁在Z方向發(fā)生擺動；第5階振型：箱體側(cè)壁在X、Y方向發(fā)生擺動。

圖4 壁厚3 mm箱體前5階振型

表2 壁厚3 mm箱體前5階固有頻率

圖3 壁厚5 mm箱體前5階振型

汽車在行駛途中，由于路面不平整引發(fā)的激振頻率通常<21 Hz[7]，所以電池箱體第1階固有頻率必須>21 Hz，根據(jù)以上分析，壁厚為5 mm箱體及壁厚為3 mm箱體均滿足設(shè)計需求。

3 結(jié)論

根據(jù)以上有限元分析，得到的結(jié)論如下：

(1)壁厚分別為5 mm和3 mm箱體強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計需求。

(2)整體而言，壁厚為3 mm箱體固有頻率<壁厚為5 mm箱體固有頻率，與其質(zhì)量較輕有關(guān)。兩種結(jié)構(gòu)的各階固有頻率對應(yīng)振型振動趨勢基本一致，且第1階固有頻率均遠(yuǎn)大于路面不平整引發(fā)的振動頻率，均滿足設(shè)計需求。

(3)綜合以上分析結(jié)果，考慮電動汽車設(shè)計輕量化目標(biāo)，選擇電動汽車電池箱體設(shè)計厚度為3 mm。