CN109583058B - 基于有限元方法的汽车电池箱结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明首先根据现有的电池箱托盘建立三维模型，并利用有限元软件进行静力学分析确定托盘最优截面形式；其次以所求得最优截面形式为基础建立新的托盘模型，并对该模型进行流固耦合仿真分析，改进托盘内的流道设计从而提高散热效果；然后再建立整个电池箱的有限元模型，预处理后模拟多个极限工况进行刚强度分析，验证电池箱刚强度符合要求；再对电池箱的加强横梁进行优化设计，确定加强横梁的最优尺寸和截面形式，实现减重；得到最优电池箱形式。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车电池箱的设计方法，特别是涉及一种基于有限元方法的汽车电池箱结构设计方法。
背景技术
近年来，我国的新能源汽车取得了显著的发展成果。动力电池作为新能源汽车的核心部件，对其进行可靠的、科学的成组，一直以来都是新能源汽车领域，特别是纯电动汽车领域的一个重要研究课题。现有的新能源汽车常采用锂电池组作为动力电池。但是，锂电池组在使用的过程中会产生较高的热量。发明人研究发现，现有的锂电池组安装箱，由于结构设计方法不合理，使得锂电池组工作产生的热量不能及时散发，最终使得锂电池组的温度不能及时有效地调节和控制，极大程度的降低了锂电池组的使用寿命。此外，发明人还发现，锂电池组不仅在高温环境会影响使用寿命，在低温环境下，锂电池组充放电效率不稳定，也会影响锂电池组的使用寿命。锂离子电池由于锂自身活泼性极强，电池安全问题一直困扰着电动汽车行业的发展，无论是磷酸铁锂还是三元锂电都普遍存在着易着火爆炸的问题，锂电池起火不像燃油着火那样可灭可救，电池一旦碰撞造成内部热失控，就会连锁反应，着火会迅速蔓延，任何灭火救助措施几乎不起作用，最终导致爆炸是必然结果。目前，现有的锂电池动力电池箱结构设计方法复杂，费时费力，投入成本高，亟待改进。
以往汽车电池箱设计主要涉及汽车电池箱的布置、走线、散热，大多依照工程技术人员的设计经验，增大安全系数以保证电池箱体的安全性，但这样无疑会增加电池箱的质量及生产成本，降低续航里程。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种既能降低自重又能保证散热效果的基于有限元方法的汽车电池箱结构设计方法。
本发明提供的这种基于有限元方法的汽车电池箱结构设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、建立现有托盘的三维模型，在有限元软件中进行弯曲和扭转仿真实验，确定托盘最优截面形式；
步骤二、建立托盘和电池包的三维模型，托盘截面为步骤一中所确定的最优截面，利用有限元分析软件进行流固耦合仿真分析，改进托盘内的流道设计；
步骤三、建立内设电池包的电池箱模型并导入有限元分析软件中进行刚强度分析；
步骤四、对电池箱模型进行拓扑优化和尺寸优化，获得最优的尺寸和截面形式。
在所述步骤一中，在Hypermesh软件中的optistruct模块内依据现有的多款电池托盘建立对应的数学模型；向各数学模型施加相同的弯矩，观测得最大位移出现在中部位置、最大应力出现在受约束边角处；向各数学模型施加相同的扭矩，观测得最大位移和最大应力均出现在受到约束的边角；即可确定托盘所包含的各边梁的最优截面形式为L型截面。
对所述步骤一中确定的最优截面进行优化，具体步骤为：在catia软件中建立L型截面的边梁的三维模型后导入Hypermesh软件中划分单元网格，选择六面体网格，设定实体网格的边长为4mm，材质选用铝合金Al-S-6000，边梁的优化区域为外轮廓内4mm区域，创建位移约束及质量约束，其中位移约束上限为0.1mm，下限为-0.1mm，目标函数设定为质量响应，进行优化分析，得到最优截面。
在所述步骤二中将托盘在ANSYS MESHING模块中划分网格，设定最小网格大小为1.0mm；在流体表面设置生长率为1.2的五层边界层网格，入口设置为质量流量，数值指定为0.37972，初始温度设为300K，出口类型设置为outflow，电池包发热速率设置为50000W/m2，求解方法选择为SIMPLE，求解控制中energy修改为0.8，监视器设定为残差控制，初始化方法设置为标准初始化；初始化之后，设定求解迭代步数为200进行求解；获得两进两出四流道式的全新水冷流道。
在所述步骤三中利用UG软件建立、导出电池箱的三维模型，电池箱包括上盖板、托盘、加强横梁、水冷流道、展台、吊耳和绝缘板；将三维模型导入Hypermesh中对各部件进行壳网格划分，指定表面四边形网格尺寸按10mm划分，控制其壳单元的公式选择2号Belyschko单元，设置厚度方向3个积分点；将水冷流道的模型选为各向同性弹塑性材料MAT12，并设置水冷流道的密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度；将上盖板、托盘、加强筋、展台、吊耳和绝缘板设定为各向异性弹塑性材料MAT37，并设置各部件的密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度；电池包顶部与上盖板、加强横梁之间采用螺栓连接，螺栓连接采用刚性1D单元进行模拟；电池包底部与托盘、加强横梁和吊耳采用焊点连接，焊点连接采用spot-1d单元进行模拟；电池包材料模型选用MAT1，焊点材料采用MAT100作为材料模型；以汽车扭转以及颠簸情况下进行急刹车、急转弯、倒车制动四个工况向模型施加载荷进行模拟，验证各工况下电池箱的刚强度性能。
在所述步骤四中，对加强横梁进行结构优化，首先在HyperMesh前处理软件，对电池包有限元模型中的加强横梁进行相关拓扑优化卡片与参数的定义，并将定义后的电池包整体模型以.fem格式导入到Optistruct优化软件中进行分析计算；其中，目标函数定义为加强横梁的体积分数；约束响应定义为电池包各结构件在各工况下作用下的应力应变值与各阶模态下的固有频率值，设计变量则定义为加强横梁中所有的侧端部位；然后进行多次迭代分析计算，求得的拓扑优化结果；再将经拓扑优化后得出模型利用HyperMesh前处理软件中的OSSmooth工具以.iges的格式输出，并将其导入到CATIA几何建模软件中对拓扑后加强横梁的几何特征进行修整，得优化后的加强横梁。
本发明首先根据现有的电池箱托盘建立三维模型，并利用有限元软件进行静力学分析确定托盘最优截面形式；其次以所求得最优截面形式为基础建立新的托盘模型，并对该模型进行流固耦合仿真分析，改进托盘内的流道设计从而提高散热效果；然后再建立整个电池箱的有限元模型，预处理后模拟多个极限工况进行刚强度分析，验证电池箱刚强度符合要求；再对电池箱的加强横梁进行优化设计，确定加强横梁的最优尺寸和截面形式，实现减重。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的流程图。
图2为托盘在弯曲工况下的位移云图。
图3为托盘在弯曲工况下的应力云图。
图4为优化后的托盘截面示意图。
图5为托盘内水冷流道示意图。
图6为颠簸时急刹车工况下电池箱应力应变云图。
图7为颠簸时急转弯(左)工况下电池箱应力应变云图。
图8为颠簸时倒车制动工况下电池箱应力应变云图。
图9为扭转工况下电池箱应力应变云图。
图10为加强横梁拓扑优化结果云图。
图11为拓扑优化后加强横梁几何模型。
图12为电池箱结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供的这种基于有限元方法的汽车电池箱结构设计方法包括以下几个步骤：
步骤一、对某公司加工好的三款电池托盘成品进行静力学分析，在相同的约束条件下，进行弯曲和扭转仿真实验，对比各自的最大位移和应力；以此为参考，按一定的约束参数约束L形实体单元，确定最优截面形式。
具体来说，对标多款现有汽车电池箱托盘，在Hypermesh中的optistruct模块中建模，获得不同截面在相同弯曲或扭转工况下的应力和位移。受到弯矩作用时，不同截面的托板的最大位移均在出现中部，其云图如图2所示，最大应力则出现在受到约束的边角，其应力云图如图3所示，各最大值如表1所示，
表1弯曲工况下底板静力学分析结果
受到扭矩作用时，最大位移和应力均出现在受到约束的边角,最大值如表2所示。
表2受扭工况下底板静力学分析结果
在catia软件中建立L型截面边梁的三维模型后导入Hypermesh软件中划分单元网格，选择六面体网格，设定实体网格的边长为4mm，材质选用铝合金Al-S-6000，梁的优化区域为外轮廓内4mm区域，根据企业提供的资料数据，创建位移约束及质量约束，其中位移约束上下限分别为0.1mm，-0.1mm，目标函数设定为质量响应，然后进行优化分析，最终优化得到的截面形式如图4所示。
步骤二、改进托盘内的流道设计。
将托盘在ANSYS MESHING模块中划分网格，设定最小网格大小为1.0mm；在流体表面设置生长率为1.2的五层边界层网格，入口设置为质量流量，数值指定为0.37972，初始温度设为300K，出口类型设置为outflow，电池包发热速率设置为50000W/m2，求解方法选择为SIMPLE，求解控制中energy修改为0.8，监视器设定为残差控制，初始化方法设置为标准初始化；初始化之后，设定求解迭代步数为200进行求解；获得两进两出四流道式的全新水冷流道，如图5所示。
步骤三、建立内设电池包的电池箱模型并导入有限元分析软件中进行刚强度分析。
本步骤中，首先利用UG软件建立、导出电池箱的三维模型，电池箱包括上盖板、托盘、加强横梁、水冷流道、展台、吊耳和绝缘板；
然后将三维模型导入Hypermesh中对各部件进行壳网格划分，指定表面四边形网格尺寸按10mm划分，控制其壳单元的公式选择2号Belyschko单元，设置厚度方向3个积分点；
接着将水冷流道的模型选为各向同性弹塑性材料MAT12，并设置水冷流道的密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度；
同时将上盖板、托盘、加强筋、展台、吊耳和绝缘板设定为各向异性弹塑性材料MAT37，并设置各部件的密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度，密度2.7*10-6kg/m3，杨氏模量E＝73GPa，泊松比0.33，屈服强度130.9MPa；
再在电池包顶部与上盖板、加强横梁之间采用螺栓连接，螺栓连接采用刚性1D单元进行模拟；电池包底部与托盘、加强横梁和吊耳采用焊点连接，焊点连接采用spot-1d单元进行模拟；电池包材料模型选用MAT1，焊点材料采用MAT100作为材料模型；
最后以汽车扭转以及颠簸情况下进行急刹车、急转弯、倒车制动四个工况向模型施加载荷进行模拟，验证各工况下电池箱的刚强度性能；四个工况加载情况如表3所示。
表3电池包各工况加载情况(g＝9.8m/s2)
得到的应力应变云图如6—9所示，最大应力值与最大应变量如表4所示。
表4电池包各工况下最大应力值与最大应变量
可知，电池包在各工况作用下产生的最大应力分别为116Mpa、144Mpa、118Mpa和129Mpa，其应力大小小于电池包各结构件的材料屈服强度。而对于电池包各工况下的应变情况，其最大应变量皆不足1mm，完全处于电池箱结构件之间的安全间距范围之内。
步骤四、对电池箱模型进行拓扑优化和尺寸优化，获得最优的尺寸和截面形式。
电池箱的加强横梁是其中较为重要的一个结构件，其作用表现在支撑电池罩盖和维持电池包下盖的刚强度性能等方面。当电池罩盖与下盖受到电池组冲击时，加强横梁随之产生的应力应变基本出现在梁的上端面与下边缘部位，而侧端部位则几乎没有变形的产生。其原因主要是因为梁的上端与下边缘分别是加强横梁连接电池罩盖与下盖并产生相互作用的部位。除此之外，相比于电池包其他结构件而言，加强横梁的几何特征与工艺性能更为简单。因此，在对电池包做进一步的轻量化设计时，可通过对加强横梁的侧端部位进行拓扑优化的方式实现减重目的。
利用HyperMesh前处理软件，对电池包有限元模型中的加强横梁进行相关拓扑优化卡片与参数的定义，并将定义后的电池包整体模型以.fem格式导入到Optistruct优化软件中进行分析计算。其中，目标函数定义为加强横梁的体积分数；约束响应定义为电池包各结构件在各工况下作用下的应力应变值与各阶模态下的固有频率值；设计变量则定义为加强横梁中所有的侧端部位。通过19次迭代分析计算，求得的拓扑优化结果云图如图10所示。
将上文经拓扑优化后得出的加强横梁模型利用HyperMesh前处理软件中的OSSmooth工具以.iges的格式输出，并将其导入到CATIA几何建模软件中对拓扑后加强横梁的几何特征进行修整，使得优化后的加强横梁具有合理装配性与良好加工工艺性。其最终几何模型如图11所示。
吊耳、下盖、电池托盘等结构件形状相对复杂，成型加工较为困难。因此，在进行轻量化设计时，应采用不改变结构几何特征的尺寸优化方法。设计变量的初始值为结构件的厚度大小，变化幅度为±1mm，尺寸优化初始值与取值范围如表5所示。
表5尺寸优化设计变量的初始值与取值范围
吊耳优化后的厚度3mm，边框板厚度为2.2mm，顶板厚度为1mm，吊耳板厚度为2.8mm，4号加强筋板厚度为1.8mm，其余加强筋为1.5mm。得出优化后的电池箱尺寸为长为1500mm，宽为900mm，高为270mm，电池箱结构如图12所示。
Claims (2)
1.一种基于有限元方法的汽车电池箱结构设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、建立现有托盘的三维模型，在有限元软件中进行弯曲和扭转仿真实验，确定托盘最优截面形式；在Hypermesh软件中的optistruct模块内依据现有的多款电池托盘建立对应的数学模型；
向各数学模型施加相同的弯矩，观测得最大位移出现在中部位置、最大应力出现在受约束边角处；
向各数学模型施加相同的扭矩，观测得最大位移和最大应力均出现在受到约束的边角；
即托盘所包含的各边梁的最优截面形式为L型截面；
对确定的最优截面进行优化，具体步骤为：
在catia软件中建立L型截面的边梁的三维模型后导入Hypermesh软件中划分单元网格，选择六面体网格，设定实体网格的边长为4mm，材质选用铝合金Al-S-6000，边梁的优化区域为外轮廓内4mm区域，创建位移约束及质量约束，其中位移约束上限为0.1mm，下限为-0.1mm，目标函数设定为质量响应，进行优化分析，得到最优截面；
步骤二、建立托盘和电池包的三维模型，托盘截面为步骤一中所确定的最优截面，利用有限元分析软件进行流固耦合仿真分析，改进托盘内的流道设计；将托盘在ANSYS MESHING模块中划分网格，设定最小网格大小为1.0mm；在流体表面设置生长率为1.2的五层边界层网格，入口设置为质量流量，数值指定为0.37972，初始温度设为300K，出口类型设置为outflow，电池包发热速率设置为50000W/m2，求解方法选择为SIMPLE，求解控制中energy修改为0.8，监视器设定为残差控制，初始化方法设置为标准初始化；初始化之后，设定求解迭代步数为200进行求解；获得两进两出四流道式的全新水冷流道；
步骤三、建立内设电池包的电池箱模型并导入有限元分析软件中进行刚强度分析；利用UG软件建立、导出电池箱的三维模型，电池箱包括上盖板、托盘、加强横梁、水冷流道、展台、吊耳和绝缘板；
将三维模型导入Hypermesh中对各部件进行壳网格划分，指定表面四边形网格尺寸按10mm划分，控制其壳单元的公式选择2号Belyschko单元，设置厚度方向3个积分点；
将水冷流道的模型选为各向同性弹塑性材料MAT12，并设置水冷流道的密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度；
将上盖板、托盘、加强筋、展台、吊耳和绝缘板设定为各向异性弹塑性材料MAT37，并设置各部件的密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度；
电池包顶部与上盖板、加强横梁之间采用螺栓连接，螺栓连接采用刚性1D单元进行模拟；电池包底部与托盘、加强横梁和吊耳采用焊点连接，焊点连接采用spot-1d单元进行模拟；电池包材料模型选用MAT1，焊点材料采用MAT100作为材料模型；
以汽车扭转以及颠簸情况下进行急刹车、急转弯、倒车制动四个工况向模型施加载荷进行模拟，验证各工况下电池箱的刚强度性能；
步骤四、对电池箱模型进行拓扑优化和尺寸优化，获得最优的尺寸和截面形式。
2.如权利要求1所述的基于有限元方法的汽车电池箱结构设计方法，其特征在于：在所述步骤四中，对加强横梁进行结构优化，
首先在HyperMesh前处理软件，对电池包有限元模型中的加强横梁进行相关拓扑优化卡片与参数的定义，并将定义后的电池包整体模型以.fem格式导入到Optistruct优化软件中进行分析计算；其中，目标函数定义为加强横梁的体积分数；约束响应定义为电池包各结构件在各工况下作用下的应力应变值与各阶模态下的固有频率值，设计变量则定义为加强横梁中所有的侧端部位；
然后进行多次迭代分析计算，求得的拓扑优化结果；
再将经拓扑优化后得出模型利用HyperMesh前处理软件中的OSSmooth工具以.iges的格式输出，并将其导入到CATIA几何建模软件中对拓扑后加强横梁的几何特征进行修整，得优化后的加强横梁。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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