基于模態試驗的動力電池箱上蓋的優化設計*

魯春艷，韋毅恒，趙錦華，郭旭陽，何安平，萬長東

(蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215100)

0 引言

隨著能源問題的日益嚴峻和人們對生態環境的更高要求,輕量化已成為節能減排的重要途徑。動力電池箱作為純電動汽車的儲能部件,對電池模組起到承載和防護的作用,其整備質量占整車質量的18%～30%,具有較大的輕量化空間;同時,動力電池箱的結構耐久、噪聲、振動與聲振粗糙度(NVH)以及耐撞性對整車性能均有重要影響,因此對電池箱的設計開發提出了更高的要求[1]。動力電池箱的上蓋位于動力電池箱體的上方,不受動力電池箱體側面的影響,在結構上,需具備密封作用;在性能上,上蓋模態直接影響到整車噪聲、振動與聲振粗糙度(NVH)性能及結構耐久性能;因此,對電池箱上蓋進行結構優化時,需同時考慮動力電池上蓋模態性能和輕量化要求[2]。

形貌優化是一種在薄壁、板殼結構中尋找最優的加強筋分布的概念設計方法,用于設計薄壁結構強化壓痕,在減輕結構重量的同時能滿足強度、頻率等要求。尤其適用于板殼結構,它可以靈活地設定平面起筋的類型,包括高度、寬度和角度,從而滿足工藝要求。

為了提升電池箱上蓋的模態性能,尋找電池箱上蓋最優的加強筋布局,實現電池箱上蓋的輕量化,本文在模態試驗的基礎上利用形貌優化方法對電池箱上蓋模態進行優化設計。

1 電池箱上蓋有限元模型的建立

電池箱機械結構如圖1所示,由上蓋、電池模組、下箱體和吊耳等組成,其中上蓋通過螺栓與下箱體連接。電池箱整體通過螺栓吊耳與車身固接。

圖1 電池箱結構圖

將電池箱上蓋的幾何模型導入到Hypermesh中。由于電池箱上蓋在厚度方向的尺寸遠小于其他兩個方向的尺寸,因此可采用殼單元來模擬其實體結構。對上蓋抽中面以后進行幾何清理,在不影響計算的前提下,簡化一些小特征諸如小倒角、小圓角等。網格單元基本尺寸設為8 mm,最終離散成14 196個節點和14 010個單元,如圖2所示。

圖2 電池箱上蓋有限元模型

模型定義為殼單元屬性,厚度為1.0 mm。上蓋的材料為SPCC,材料參數如表1所示,模型總質量為6.066 kg。

表1 電池箱上蓋材料參數

2 上蓋有限元自由模態分析

電動汽車在實際行進過程中,受到的主要激勵源是路面激振和電機振動載荷。當激勵頻率與電池箱固有頻率接近時,電池箱會在激勵作用下產生共振,長時間的共振會損壞電池內部結構,影響電池安全性。而電池箱結構的低階模態多表現為整體或局部的大規模振動,其特點是振型的節點少,所以對電池箱上蓋的仿真模態分析主要計算結構的低階模態。

前處理完成之后,求解電池箱上蓋的自由模態,其前6階非零固有頻率如表2所示,對應的前3階振型如圖3所示。

表2 電池箱上蓋前6階非零固有頻率

圖3 電池箱上蓋前3階仿真模態振型圖

由圖3可知:第1階模態振型表現為上蓋四個角部分垂直于上蓋平面方向的振動,第2階模態振型表現為上蓋中心部分垂直于上蓋平面方向的振動,第3階模態振型表現為上蓋左右兩個中心部分垂直于上蓋平面方向的振動;且前3階振型的幅值相對比較大。分析結果表明,在這些激勵作用下電池箱產生的響應大于高頻,可對上蓋進行結構改進,以增加其剛性。

3 模態試驗驗證

3.1 模態測試系統連接設置

為了驗證計算模態分析的結果,對該動力電池上蓋進行模態測試。測試系統主要由激勵裝置、傳感器及數據采集系統等組成。測試設備清單如表3所示,測試設備連接設置如圖4所示。進行模態試驗時,通過計算模態分析并結合實際經驗來確定被測結構支撐點、激勵點和響應點的位置。

表3 測試設備清單

3.2 測試方法

試驗前將傳感器、力錘、數據采集箱及計算機連接好,調試運行并檢測信號質量,盡量避免外界干擾及儀器接觸不良帶來的影響。將電池箱上蓋自由懸掛,在上蓋上均勻選取9個測點,粘貼加速度傳感器,具體分布如圖5所示。在上蓋上取四個位置N1、N2、N3、N4作為力錘敲擊點,采用單輸入多輸出的方式,多次敲擊不同位置以防某階頻率無法觸發。

圖5 傳感器測量點及激勵點布置

為提取電池箱上蓋的模態參數,采用單點激振多點拾振的試驗方法,設置采集信號頻率有效帶寬為500 Hz。試驗中用鋼頭力錘進行脈沖激振,對激振點進行敲擊,當脈沖達到觸發水平時,數據采集器同時采集9個測點的加速度傳感器振動信號。對4個激勵點分別進行3次錘擊試驗,采集各點振動信號,采用譜平均法得到不同激勵點的頻響函數曲線,然后采用PolyMax模態參數識別法,提取電池箱上蓋模態參數[3]。得到的電池箱上蓋穩態圖如圖6所示。

圖6 模態試驗穩態圖(PolyMax)

采用PolyMax方法選擇極點時只需要極少量的運算和整理,選取的極點較為清晰,且“s”點較多,并且產生的穩態圖可以識別高度密集的模態,對每一個模態的頻率、阻尼和振型都有較好的識別精度[4]。在試驗頻段0～500 Hz內提取各階模態,試驗模態頻率如表4所示,前3階模態振型如圖7所示。

表4 上蓋固有頻率的試驗與仿真值對比

圖7 電池箱上蓋模態試驗前3階振型

由圖7可知:1階試驗模態振型為四角扭轉,2階試驗模態振型為中心區域彎曲,3階試驗模態振型為兩側彎曲,與圖3的仿真模態振型相一致。由表4可以看出:試驗模態頻率與仿真模態頻率相比較,數據誤差平均未超過5%,最小誤差為0.55%。通過分析發現,仿真結果與試驗結果基本一致,驗證了上蓋建模的正確性和有效性。

4 電池箱上蓋形貌優化設計

4.1 形貌優化理論

形貌優化主要應用于薄殼類結構,是在約束條件下尋找薄殼類結構的最優加強筋形狀或最優加強筋布置位置,從而提高薄殼結構的剛度,以達到提升模態性能的目的。

形貌優化的數學模型描述如下[5]:

(1)

其中:ei為單元節點在給定設計區域的位移;C為設計結構的柔度;U為載荷條件下單元節點的位移;K為單元節點位移優化后的結構剛度;D為設計區域內允許單元節點移動的上限值。

4.2 電池箱上蓋形貌優化

動力電池箱上蓋四周由螺栓與下箱體相固結,為密封區域,此處需要保持完整的平面,因此將上蓋四周區域定義為非設計區域,其余均為設計區域,如圖8所示。

圖8 電池箱上蓋形貌優化有限元模型

以設計區域單元的應力和節點的位移變化為設計變量,根據第3節模態分析結果,約束其第1階模態頻率大于32 Hz,以整個電池箱系統應變能最小作為目標函數。上蓋起筋參數設置如下:最小肋寬14 mm,一般為單元寬度的1.5倍～2倍,起肋角為60°,起筋高度為4 mm[6]。設置優化結果關于兩垂直平面對稱,經優化迭代后得到電池箱上蓋的加強筋布局,如圖9所示。根據形貌優化云圖以及制造工藝要求對電池箱上蓋進行結構設計,最終設計的模型如圖10所示。在上蓋上方成型出了強化壓痕,以增加上蓋的剛度,并提高低階模態頻率,同時將上蓋的厚度由1 mm減薄到0.8 mm。

圖9 電池箱上蓋形貌優化云圖

圖10 電池箱上蓋優化設計結構

根據改進后的結構和尺寸,重新建立了電池箱上蓋的有限元模型,對改進后的上蓋重新進行模態分析,計算結果如表5所示。

表5 上蓋結構改進前后結果對比

通過對上蓋進行形貌優化,提高了電池箱前3階的固有頻率,避開了激振源頻率;減輕了電池箱的整體質量;電池箱的質量由原來的6.066 kg減少至5.625 kg,質量減輕了7.27%,達到了電池箱上蓋輕量化的目標。

5 結論

本文基于Hypermesh對電池箱上蓋進行模態分析,求解出電池箱上蓋的各階模態頻率和振型。采用單點激振多點拾振的試驗方法,對電池箱上蓋進行模態試驗,采用PolyMax模態參數識別法,提取電池箱上蓋模態參數。通過對仿真分析和模態試驗的數據進行比較,頻率和振型一致性較好,驗證了模型的正確性和有效性。

建立了基于柔度最小的電池箱上蓋形貌優化數學模型,對電池箱上蓋進行形貌優化,得到了上蓋的形貌優化云圖,根據云圖重新設計上蓋的結構并進行模態分析。分析結果表明:優化后的上蓋低階頻率提高,質量減輕了7.27%,證明了優化的可行性,為電池箱類零件的優化設計提供了借鑒和參考。