电动汽车快换电池托架结构分析

电动汽车快换电池托架结构分析 The structural analysis of EV fast-swap battery bracket 罗发强宋保清郝战铎，， LUO Fa-qiangSONG Bao-qingHAO Zhan-duo，， 许继电源有限公司许昌 461000(，) 摘 要:电动汽车电池快换技术是电动汽车领域的新兴技术之一,相比传统的充电技术,电池快换技术 可以大幅提高电动汽车的使用效率。电池托架作为承载固定电池的重要装置,其结构动静态 性能十分重要。通过使用Pro/E建立电池托架的几何模型,利用Hypermesh对几何模型进 行 高质量的网格划分,运用Ansys分析电池托架在极端行驶工况下的应力分布,并在此基础 上得 到电池托架的模态特性。以期为电池托架振动试验和结构优化提供参考。 关键词:电池托架;Hypermesh;Ansys;静态分析;模态分析 中图分类号:U46 文献标识码:A 文章编号:1009-0134(2014)04(上)-0004-04 Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2014.04(上).02 0 引言 重要区的小孔和小尺寸结构。 电动汽车为了连续行驶,需要定期补充电 1.1 三维几何模型的简化 能。电能的补充可以分为整车充电和电池快速更 电池托架用于承载和固定动力电池,由整体 换两种。动力电池的快速更换方式是指车辆在进 框架、连接器插座、锁止机构盒和一些导向定位 入充换电站后,通过快速更换设备将车辆的动力 组件组成,如图1所示。在Pro/E中对原有的电池取下并即刻更换另一组动力电池。目前国内 模 型进行初步的简化,去除一些非承力部件和较为成功的大规模应用了电池快速更换技术,例 一些 小尺寸特征,得到简化后的模型,如图2所如青岛的薛家岛电动汽车充换电站、北京的四惠 示。 充换电站等。 国内针对电动汽车电池快速更换技术进行了 很多有益的研究,储毅等人对电池箱体进行了模 态方面的仿真,得出了电池箱体的固有频率与振 [1]型。张永峰等人对电池锁止机构进行了研究,提 [2]高了电池的锁止可靠性。桑林等人对电池箱进行 了振动方面的实验,得出了路试条件下的电池箱 [3]功率密度参数。 然而,基于有限元理论的电动汽车快换电池 图1 电池托架结构组成 托架结构仿真分析还较少,本文采用Hypermesh 与 Ansys相结合的方法,对电池托架进行仿真分 析, 得到电池箱托架在极端行驶工况下的应力、 位移 分布状况与模态特性,为电池托架振动试 验和结 构优化提供了参考依据。 图2 简化后的电池托架模型 1 有限元分析模型的建立 1.2 部件网格的划分与网格的连接 在满足计算精度的前提下,对电池托架进行 如下的等效简化:1:不考虑焊接处材料特性的变 由于电池托架全部为钣金件和矩形管焊接而 成,因此将简化后的几何模型以STEP 格式导入化;2:电池托架的材料为均质材料;3:忽略不 到 Hypermesh后,抽取各部件的中面,并进行 几何 收稿日期:2013-11-22 作者简介:罗发强:1987 :,男,河南亯阳人,结构工程师,本科,研究方向为电动汽车换电技术和CAE 结构分析。- 清理,如图3所示。为提高分析精度,对各个部为:约束螺栓孔孔缘处节点Y、Z方向的平动自件由 度与X、Y、Z方向的转动自由度,并约束螺 进行必要的切分以改善模型的拓扑结构。切分 栓孔 周边区域的节点X方向的平动自由度。电池后, 进行分块网格划分,得到283135个四边形 单元和 290780个单元节点,如图4所示。然后对网的质量大约为 280Kg,电池箱对电池托架的作用格进行连 续性检查和单元质量检查,检查结果如表以均布力 的方式加载在托架中间梁、锁止机构盒1所示。 和定位销安 装板的相关节点上,如图5所示。参 考文献[5,6], 下面将分别讨论汽车行驶在颠簸路 面急刹车和行驶 在颠簸路面急转弯两种工况下电 池托架的静力学 特性。 图3 改善后的网格 图5 边界条件的施加 2.1 颠簸路面急刹车工况 取电动汽车颠簸和急刹车最大加速度分别 为2g (垂直向上)和1g (行驶的反方向),并将相 图4 电池托架的有限元模型 的.cdb文件分别导入Ansys中进行求解,此时应 电池 托架的应力和应变分布如图6、7所示。 表1 网格质量检查表 检查标准 不合格百分比 Warpage(翘曲) 0% Aspect(长宽比) 0% Skew (扭曲) 0% Jacobian (雅克比) 1% Min angle( 四边形最小角) 0% 图6 颠簸急刹车工况下 图7 颠簸急刹车工况 Max angle( 四边形最大角) 1% 下 的应变云图 的应力云图 由图6、7可以看出,电池托架的最大变形Ansys 提供了两种解决不同类型单元自由度不连 [4]出 现在托架中间梁的中部,最大变形量为续问题的方法,即约束方程与MPC 接触装配法。 0.947mm。 而托架的最大应力出现在中间梁承此次分析采用约束方程法来模拟零件之间的焊接 重轮安装槽 处,最大变应力为162.7Mpa。此外关系。同时选择与Ansys对应的Shell181单元、 电池托架的前 后横梁的应力值也较大,但均小Beam188单元、MASS21单元,并创建Q235钢的 -93于材料的屈服极 限235Mpa。因此,在该工况下,,材 料属性,设置密度 为7.8×10T /mm、弹性模 电池托架的强度 满足设计。 量E 52.2 颠簸路面急转弯工况 ,为2.11×10Mpa、泊松比 为0.3。在 取电动汽车颠簸和急转弯最大加速度分别为 Component Manager中将单元类型、材料属性、 2g (垂直向上)与0.4g,其中急转弯指的是向左急转 截面属性赋给相 应的单元。同时,利用Hypermesh与Ansys的优良弯工况。并将相应的.cdb 文件分别导入Ansys中接 口技术,在Hypermesh中直接施加边界条件之后,进 行求解,此时电池托架的应力和应变分布如图利 用Export 面板导出.cdb格式的有限元模型文件。 8、 9所示。 2 电池托架结构强度分析 电池托架通过托架上的十个螺栓孔与车身相 连接,并在螺栓孔处布置有垫块,因此约束条件 第36卷 第4期 2014-04(上) 【5】 算速度也较快,故用此法对电池托架进行自由条 件下的有限元模态分析,计算出托架的固有频率 和振型。根据计算需要,提取了结构的前12阶 固 有频率,如表2所示。由于部分模态振型相似, 故 只列出部分振型图如图10,图18所示。 表2 电池托架的各阶固有频率 图8 颠簸急转弯工况下 图9 颠簸急转弯工况模态阶次 频率:HZ: 模态阶次 频率:HZ: 下 的应变云图 的应力云图 1 122.58 7 252.99 2 182.09 8 254.95 由图可以看出,电池托架的最大变形出现在 3 214.63 9 255.24 托架中间梁的中部,最大变形量为0.913mm。 4 232.98 10 264.17 而 托架的最大应力出现在中间梁承重轮安装槽5 238.11 11 272.61 处, 最大变应力为156.8Mpa。此外,电池托架6 251.80 12 342.67 的前后 横梁的应力值也较大,但均小于材料的 屈服极限 235Mpa。因此,在该工况下,电池托 架的强度同 样满足设计要求。 3 电池托架的模态分析 机械结构的固有振动特性称为模态,固有频 图10 第一阶模态振型 图11 第二阶模态振型 率、阻尼比和模态振型都是每一阶模态固有的性 质。计算模态分析法已在很多产品开发中得到了 很好的应用,尤其是在汽车领域,对模型进行模 态分析非常重要。 多自由度直接法的一般方程为: 图12 第三阶模态振型 图13 第四阶模态振型 (1) 式中, , 和 分别为系统的位移矩 阵、速度矩阵和加速度矩阵,{F(t)} 为激振力矩 阵。[M]、[K]和 [C] 分别称为系统的质量矩阵、刚 度矩阵和阻尼矩阵。 由于模态分析是分析结构在 图14 第六阶模态振型 图15 第七阶模态振型 自由振动下的振 动特性且系统阻尼影响较小可以忽略不计,故将 其简化: (2) 弹性体自由振动的振型可转化成为一系列简 谐振动的组合,为得到自由振动的各阶固有频率 图16 第十阶模态振型 图17 第十一阶模态振型 和各阶的振型,设其解为: (3) 将公式3带入到公式2中得到: (4) 求解式:2:和式:4:的过程,就是对结构 图18 第十二阶模态振型 进行模态分析的过程,通过求解这两个方程,可 结合表2和图10~图18可知,前十一阶振型以得到结构的固有频率和固有振型。 主要 表现为托架中间梁与连接器安装板的局部振ANSYS 提供七种模态提取方法,考虑到分块 动,第 十二阶为托架的整体振动。第一阶振型兰索斯法:Block Lanczos:的求解精度较高,计 为连接器 下转第12页【】 6] 施昕昕.基于电磁直线执行器的运动控制技术研究[D]. [参考文献: 南京理工大学,2012. [1] 唐新星.具有立体视觉的工程机器人自主作业控制技术 [7] 孙方义,卢颖,王勇亮,梁建民,潘春萍.基于ODE的六自研究[D].吉林大学.2007.12:10-11. 由 度平台系统设计与仿真[J].系统仿真学[2] 龙甫荟,郑南宁.计算机视觉模型的研究与发展[J].亯息 报,2012,09:1882- 1886,1891. 与控制.1997,26(2):113. [] 庞云亭,黄强,郑娟,胡章丰.双目机器人的视觉伺服控制 8[3] 王磊,谢龙汉,黄宜松.UG NX5三维建模入门与实例进系统.伺服控制.2006,(1). [M].北京:清华大学出版社.2008. 阶[9] 陈永刚,黄飞,赵国锋.飞行模拟器运动平台控制算法研究 [4] 陈立平,等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教与分析[J].电光与控制,2013,02:70-73,96. 程 [M].北京:清华大学出版社.2005. [10]程方,张曦,张金松.基于机器视觉的点胶机定位系统[J]. [5] 王勇.基于力传感器的飞行模拟器运动平台控制研究 机械设计与制造,2013,03:101-104. [D].南京航空航天大学,2012. 上接第6页【】 2:虽然托架的固定使用了十个螺栓,但是托 安装板绕Y轴的一阶水平弯曲;第二阶振型为托 架两边的纵梁受力很小,因此在对托架的结构优化 架 中间梁沿X 轴的一阶垂直弯曲;第三阶振型 中可以适当减小纵梁的壁厚从而减轻托架的重量。 梁沿X 轴的一阶垂直弯曲;第四、为托 架中间 3:通过对电池箱托架进行模态分析可知,该 托五阶振 型的振型相似,为托架中间梁沿 X轴的 架在连接器安装板与托架中间梁处有较大的振 一阶垂直 弯曲;第六、七、八、九阶振型的振 动幅度,并由各阶模态的固有频率均大于路面激 型相似,为 托架中间梁为绕Z 轴的一阶水平扭 励频率,因此该电池箱托架在伴随车辆行驶的过 转变形;第十 阶振型为连接器安装板绕X轴的一 程中不会产生共振。 4:连接器安装板与托架中阶水平弯曲;第 十一阶振型为连接器安装板绕 X 间梁处的刚度较 轴的一阶水平扭 转;第十二阶振型为托架整体绕 差,因此在设计时应注意加强该两处的刚度。 Y轴的二阶垂直弯 曲。综上,电池托架各阶模态 的固有频率均大于路 面激励频率,因此在伴随车参考文献: 辆行驶的过程中不会产 生共振。同时,连接器安[1] 储毅,刘华锋,赵明宇,王刚,路致远.基于FEM的电装板与托架中间梁处的刚 度较差,设计时应注意动 汽车快换电池箱模态分析与优化[J].制造业自动 化, 2012,(12):104-107. 加强该两处的刚度。 [2] 张永峰,张洋,朱云霄.电动汽车快换电池箱闭锁机构防脱 4 结论 技术研究[J].数字化仿真技术,2011,(2):52-54. [3] 桑林,李志明,潘成.电动汽车动力蓄电池箱振动特性试验 本文以电动汽车快换电池托架为研究对象,采 研究[J].电子测试,2011,(12):1-4. 用Pro/E建立三维模型,并在Hypermesh中进行前[4] 王新敏,李义强,徐宏伟.ANSYS结构分析单元与应用 处 理之后,将有限元模型导入Ansys中进行两种[M].北京:人民交通出版社,2011. 工况 下的静力学分析和模态分析,得到了以下结[5] Mundo D,Hadjit R.Simplified Modeling of Joints and 论: Beamlike Structures for B1W Optimization in a Concept of the Vehicle Design Process.Finite Elements in 1:在两种行驶工况下,电池箱托架的最大变 Phase Analysis and Design,2009,456-462. 形均出现在托架中间梁的中部;而在中间梁承重 [6] 杨书建.电动汽车电池箱动静态特性分析及其结构优化 轮安装槽、前后梁螺栓固定孔处以及定位销安装 设计[D].长沙:湖南大学,2012,15-20. 板处有较大应力,但均未超出材料的屈服极限, 满足强度设计要求。 【12】 第36卷 第4期 2014-04(上)