CN110119577A - 一种提取纯电动卡车电池包支架结构道路载荷谱的方法 - Google Patents

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黄晖
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Abstract

本发明属于新能源汽车领域，具体涉及一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法。该方法基于多体动力学原理，建立了由七通道虚拟试验台、电池包支架及整个车架组成的刚柔耦合多体动力学模型，以试验场采集的电池包支架加速度为目标响应信号，采用虚拟迭代方法，反求得到了虚拟试验台与车架各个作动器的力边界，即电池包支架疲劳分析的道路载荷谱。基于所得到的载荷谱，分析了电池包支架结构的疲劳寿命。此方法保证了纯电动卡车电池包支架结构的疲劳分析与实车试验场道路耐久试验的关联性，解决了传统方法无法对电池包支架结构疲劳寿命量化的问题，有效地缩短了开发周期，降低了开发成本。

Description

一种提取纯电动卡车电池包支架结构道路载荷谱的方法
技术领域
本发明属于新能源汽车领域，具体涉及一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法。
背景技术
随着我国经济水平和汽车工业的飞速发展，汽车数量也随之快速增长，日益普及的汽车在给生活带来便利和推动社会进步的同时也带来了严重的环境污染和能源紧缺等问题。研发高效节能和低排放的纯电动汽车是解决上述问题的必经之路，因此国内外各车企都在加大对纯电动汽车的研发投入，纯电动汽车已然成为汽车工业未来发展的趋势。
电池包是纯电动卡车上质量最大的零部件，而电池包支架是将电池包连接至车架的关键部件，在车辆行驶过程中，电池包支架在路面不平的激励下，需要承受反复的弯曲及扭转交变载荷作用，易发生疲劳失效，因此需要对其进行疲劳分析。
目前，对电池包支架结构进行疲劳寿命分析的方法是静强度分析法、基于国标的定频振动分析法和基于国标的稳态随机振动法，存在以下局限性：
(1)与实车道路耐久性试验无关联性，所获得的载荷边界存在过强或不足的风险；
(2)只能计算出电池包支架结构的薄弱区域，无法计算其准确的疲劳寿命，如若电池包支架在整车道路试验中出现失效情况，则需要通过设计变更和整车道路耐久试验的方法来解决,延误了整个项目的时间节点，进而极大的削弱的产品的竞争力。
发明内容
基于上述情况，本发明提供一种提取纯电动卡车电池包支架结构道路载荷谱的方法。该方法基于多体动力学原理，建立了由七通道虚拟试验台、电池包支架及整个车架组成的刚柔耦合多体动力学模型，以试验场采集的电池包支架加速度为目标响应信号，采用虚拟迭代方法，反求得到了虚拟试验台与车架各个作动器的力边界，即电池包支架疲劳分析的道路载荷谱。基于所得到的载荷谱，分析了电池包支架结构的疲劳寿命，分析结果显示其寿命能够满足疲劳性能要求。此方法保证了纯电动卡车电池包支架结构的疲劳分析与实车试验场道路耐久试验的关联性，解决了传统方法无法对电池包支架结构疲劳寿命量化的问题，有效地缩短了开发周期，降低了开发成本。具体技术方案如下：
(1)电池包支架结构试验场加速度信号采集：在试验场坏路路面对车架及电池包支架结构的关键区域进行加速度信号采集，获取第(4)步骤虚拟迭代的目标响应信号，并对加速度信号进行去漂移、去毛刺及滤波处理；
(2)电池包支架结构有限元模型建立及模态对标分析：建立电池包支架及整个车架构成的有限元模型，并与实测模态进行对标；
(3)电池包支架结构多体动力学模型建立：将电池包支架及整个车架构成的有限元模型与七通道虚拟试验台装配在一起，组成电池包支架的刚柔耦合多体动力学模型；
(4)电池包支架结构虚拟迭代：针对第(3)步骤建立的刚柔耦合多体动力学模型，以试验场采集的电池包支架加速度为目标响应信号，通过虚拟迭代，使模型收敛且仿真信号与试验场测得的目标响应信号一致；
(5)电池包支架结构道路谱载荷提取：以最后一次虚拟迭代所获得的虚拟迭代台的位移激励为输入条件，驱动整个多体模型进行仿真分析，获得虚拟试验台各个作动器的力边界，得到了电池包支架结构疲劳寿命分析的载荷边界；
(6)电池包支架结构疲劳寿命分析：基于第(5)步骤所得到的疲劳寿命分析载荷边界，对电池包支架结构的疲劳寿命进行分析，分析结果显示其寿命是否满足疲劳性能要求。
本发明的有益效果：
(1)保证了电池包支架结构疲劳寿命分析与实车道路耐久试验的关联性；
(2)可准确计算电池包支架结构薄弱区域的疲劳寿命；
(3)可将相关的载荷边界转移至后续改款车型。
附图说明
图1实施例1方法流程示意图；
图2实施例1电池包支架结构加速度传感器布置位置示意图；
图3左侧位置1三向加速度时域信号图；
图4实施例1电池包支架结构有限元模型示意图；
图5实施例1电池包支架结构的车架结构示意图；
图6实施例1电池包支架结构的电池包安装包结构示意图；
图7实施例1电池包支架结构的电池包结构示意图；
图8实施例1一阶垂向弯曲模态仿真与试验对比图；
图9实施例1一阶扭转模态仿真与试验对比图；
图10实施例1七通道虚拟试验台位置示意图；
图11实施例1电池包支架结构刚柔耦合多体模型图；
图12实施例1虚拟迭代的主要步骤流程图；
图13实施例1七通道虚拟试验台各通道相对损伤值图；
图14实施例1右侧位置1垂向加速度时域对比图；
图15实施例1右侧位置1功率谱密度对比图；
图16实施例1四个垂向作动力器的垂向力信号图；
图17实施例1电池包支架疲劳计算结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图1-17，某纯电动卡车型的电池包支架结构为例说明本发明的主要流程：
(1)电池包支架结构试验场加速度信号采集
在试验场坏路路面对车架及电池包支架结构的关键区域进行加速度信号采集，坏路路面主要包括：搓板路、比利时、扭曲路和长波路等，加速度传感器的布置如图2所示，左右侧分别布置四个三向加速度传感器，以测得电池包支架结构的三向加速度，为第4步的虚拟迭代提供目标响应信号，图3为车辆通过凸块路面时左侧位置1的三个方向加速度时域信号。
(2)电池包支架结构有限元模型建立及模态对标分析
电池包支架结构有限元模型由车架、电池包和电池包安装支架组成，如图4所示，各组成部分如图5、图6和图7所示。为验证电池包支架结构模型的准确性，对模型进行了模态分析，模态频率的对比如表1所示，振型的对比如图8和图9所示，仿真与试验结果对标良好，表明了模型的准确性。采用模态综合法，利用有限元软件计算得到车架电池包支架结构的模态中性文件，为下一步建立刚柔耦合多体动力学模型奠定了基础。
表1电池包支架结构仿真与试验对比
模态 振型 仿真频率/Hz 试验频率/Hz 误差
1 垂向弯曲 14.76 16.2 8.9％
2 扭转 38.28 39.5 3.1％
(3)电池包支架结构刚柔耦合多体模型建立
建立虚拟试验台的主要目的是为了模拟车架在通过试验场坏路时的运动姿态，由于本文中的电池包重量很大，电池包支架除受垂向冲击外，还受到由车辆转向和制动引起的侧向和纵向惯性力冲击，为了使得车架电池包支架结构具有更多的运动自由度，采用七通道虚拟试验台，并使用多体动力学软件建立了该试验台。试验台包括了4个垂向作动器、2个侧向作动器和1个纵向作动器，如图10所示。
将第2步创建的中性文件和本节创建的7通道虚拟试验台装配在一起，组成如图11所示的刚柔耦合多体动力学模型。虚拟试验台每个作动器的液压缸和活塞杆之间添加移动副，活塞杆和液压缸通过球副分别与车架和大地相连。作动器与车架连接点的选取原则为在车架刚度较大处且靠近响应处，以保证作动缸输出的作用力能够正确激励车架，四个垂向作动缸作用点选择在前板簧左右后摆耳支架处和后板簧左右前卷耳处，可实现模型的垂向、扭转和弯曲运动。侧向作动缸作用点选择在车架左右纵梁处，可实现模型的侧向和横摆运动。纵向作动缸作用点选择在车架第6横梁处，可实现模型的纵向运动：如图11所示)。
(4)电池包支架结构虚拟迭代
电池包支架疲劳分析需要得知其时域载荷谱，但无法通过直接测量的方法获得，因此采用虚拟迭代的方法来提取其道路载荷谱。虚拟迭代是以第3步创建的多体动力学模型为载体，以试验场实测的加速度谱为目标信号，通过多次迭代使得仿真结果与目标期望信号吻合，主要步骤如图12所示：
(a)通过模型系统识别得到图11所示电池包支架结构刚柔耦合多体模型的传递函数，将噪声信号u0(f)输入多体动力学模型，得到相应的输出信号y0(f)，模型的传递函数F(f)由公式(1)获得。
F(f)＝y0(f)/u0(f) (1)
(b)得到首次迭代的驱动信号，首次驱动信号u1(f)通过逆传递函数F-1(f)和试验场采集的加速度目标期望信号yD获得，如公式(2)所示。
u1(f)＝F-1(f)*yD(f) (2)
(c)将首次驱动信号u1(f)对应的响应y1(f)与目标期望信号yD(f)对比，得到第二次迭代的激励信号，依次类推，通过若干次迭代，使得模型仿真输出信号接近试验场采集的加速度目标期望信号，如公式(3)所示。
ui+1＝ui+F-1(f)*(yD(f)–yi(f)) (3)
式中：F-1(f)为逆传递函数，yD(f)为采集的目标期望信号，yi(f)为第i次仿真输出信号，ui为第i次驱动信号，ui+1为第i+1次驱动信号；
响应信号和目标期望信号间的对比主要从损伤域、时域、频率域等方面去评价仿真结果与目标期望信号的接近程度。图13为凸块路面仿真结果与目标期望信号间的相对损伤值，各通道的损伤值均在0.5～2.0的一般工程可接受范围内。图14为右侧位置1垂向加速度时域对比结果，仿真信号与测量信号是在幅值和信号趋势上一致。图15为仿真结果和测量数据的功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)分布趋势几乎一致，且具有相同形状的PSD分布曲线。综上所述，仿真输出信号与目标期望信号吻合程度较理想。
(5)电池包支架结构道路谱载荷提取
在第4步基础上，将最后一次迭代得到的激励信号输入多体动力学模型，并输出7通道虚拟试验台各作动器的力信号，图16为四个垂向作动力器的垂向力信号。
(6)电池包支架结构疲劳寿命分析
采用惯性释放法，在虚拟试验台和车架的接口处施加单位载荷，利用有限元软件计算电池包支架在单位载荷作用下的应力结果。将第5步得到的各作动缸动态力信号按照该轻卡的疲劳耐久规范组合得到模型的时域载荷历程，将此载荷历程与单位应力结果相乘叠加，即可得到模型在载荷时间历程下的应力响应。利用雨流计数法对应力循环进行计数统计，结合材料的S-N曲线，再利用Goodman曲线进行应力修正，应用Miner线性疲劳损伤法计算电池包支架的疲劳损伤累计，结果如图17所示，疲劳寿命风险集中在与车架相连的竖梁螺栓孔处，损伤值为0.888，小于设计目标值1.0，表明其寿命能够满足疲劳性能。电池包支架顺利通过了后期试验场道路耐久的验证，与疲劳寿命分析结果吻合。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)电池包支架结构试验场加速度信号采集：在试验场坏路路面对车架及电池包支架结构的关键区域进行加速度信号采集，获取第(4)步骤虚拟迭代的目标响应信号，并对加速度信号进行去漂移、去毛刺及滤波处理；
(2)电池包支架结构有限元模型建立及模态对标分析：建立电池包支架及整个车架构成的有限元模型，并与实测模态进行对标；
(3)电池包支架结构多体动力学模型建立：将电池包支架及整个车架构成的有限元模型与七通道虚拟试验台装配在一起，组成电池包支架的刚柔耦合多体动力学模型；
(4)电池包支架结构虚拟迭代：针对第(3)步骤建立的刚柔耦合多体动力学模型，以试验场采集的电池包支架加速度为目标响应信号，通过虚拟迭代，使模型收敛且仿真信号与试验场测得的目标响应信号一致；
(5)电池包支架结构道路谱载荷提取：以最后一次虚拟迭代所获得的虚拟迭代台的位移激励为输入条件，驱动整个多体模型进行仿真分析，获得虚拟试验台各个作动器的力边界，得到了电池包支架结构疲劳寿命分析的载荷边界；
(6)电池包支架结构疲劳寿命分析：基于第(5)步骤所得到的疲劳寿命分析载荷边界，对电池包支架结构的疲劳寿命进行分析，分析结果显示其寿命是否满足疲劳性能要求。
2.根据权利要求1所述的一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法，其特征在于：第(1)步骤中的坏路路面为搓板路、比利时、扭曲路或长波路；所述加速度传感器为三向加速度传感器，布置在所述电池包支架结构的左右两侧。
3.根据权利要求1所述的一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法，其特征在于：第(2)步骤中的电池包支架结构有限元模型由车架、电池包和电池包安装支架组成。
4.根据权利要求1所述的一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法，其特征在于：第(3)步骤中所述的七通道虚拟试验台由4个垂向作动器、2个侧向作动器和1个纵向作动器组成。
5.根据权利要求4所述的一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法，其特征在于：所述4个垂向作动缸作用点选择在前板簧左右后摆耳支架处和后板簧左右前卷耳处；2个侧向作动缸作用点选择在车架左右纵梁处；1个纵向作动缸作用点选择在车架第6横梁处。
6.根据权利要求1所述的一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法，其特征在于：所述第(4)步骤中虚拟迭代步骤如下：
(a)通过模型系统识别得到电池包支架结构刚柔耦合多体模型的传递函数，将噪声信号u0(f)输入多体动力学模型，得到相应的输出信号y0(f)，模型的传递函数F(f)由公式(1)获得：
F(f)＝y0(f)/u0(f) (1)
(b)得到首次迭代的驱动信号，首次驱动信号u1(f)通过逆传递函数F-1(f)和试验场采集的加速度目标期望信号yD获得，如公式(2)所示：
u1(f)＝F-1(f)*yD(f) (2)
(c)将首次驱动信号u1(f)对应的响应y1(f)与目标期望信号yD(f)对比，得到第二次迭代的激励信号，依次类推，通过若干次迭代，使得模型仿真输出信号接近试验场采集的加速度目标期望信号，如公式(3)所示：
ui+1＝ui+F-1(f)*(yD(f)–yi(f)) (3)
式中：F-1(f)为逆传递函数，yD(f)为采集的目标期望信号，yi(f)为第i次仿真输出信号，ui为第i次驱动信号，ui+1为第i+1次驱动信号。
7.根据权利要求1所述的一种纯电动卡车电池包支架结构的道路载荷谱的方法，其特征在于：所述第(6)步骤中，采用惯性释放法，在虚拟试验台和车架的接口处施加单位载荷，利用有限元软件计算电池包支架在单位载荷作用下的应力结果；利用雨流计数法对应力循环进行计数统计，结合材料的S-N曲线，再利用Goodman曲线进行应力修正，应用Miner线性疲劳损伤法计算电池包支架的疲劳损伤累计。
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