CN112685946A - 基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，包括以下步骤：1)确定电池包壳体的优化对象和设计变量，并基于所述优化对象和设计变量对电池包壳体进行试验设计，得到电池包壳体的试验矩阵；2)对所述试验矩阵进行随机振动分析，获得每个样本对应的优化对象的随机振动应力响应值，并建立二阶响应面模型；3)以质量最小为优化目标，以满足随机振动工况和第一阶模态为约束，利用多岛遗传算法对二阶响应面模型进行优化，得到轻量化的电池包壳体；4)验证轻量化的电池包壳体的可靠性。本发明有利于减少工程实际中复杂结构电池包壳体的试验次数，降低产品开发成本，缩短产品开发周期。
Description
技术领域
本发明涉及电池包设计领域，具体是基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法。
背景技术
为了减少环境污染，节约不可再生能源，促进全球可持续发展，具有能源低碳化特点的新能源汽车将是未来汽车发展的重点。电动汽车作为新能源汽车中的典型代表，具有零排放、效率高等突出优点，已逐渐成为各大汽车制造商发展的大势所趋。有研究表明，电动汽车整车重量每降低10kg，续航里程可增加2.5km，这不仅减少了电池的更换次数，还降低了电池的使用成本。电动汽车的轻量化设计也逐渐成为一个研究热点。电池包系统作为电动汽车的核心部件之一，其性能好坏直接影响电动汽车的续航和安全等性能。但电池包系统的重量在整车中占比较大，这影响了电动汽车的续航里程。提升电动汽车的续航能力主要有两种途径：一是提高单体电芯质量的能量密度，二是对电池包壳体进行轻量化设计。在目前电池能量密度提高较困难或成本较高的情况下，对电池包壳体进行轻量化设计来减轻整车重量并提升整车性能显得十分必要。减轻电池包壳体的重量还可以在相同整备质量的前提下安装容量更大的电池，提升电动汽车的续航能力。
相关企业对于电池包系统的轻量化设计进行了研究，国内外专家学者对电池包轻量化设计也开展了较为系统的研究，包括减小壁厚、采用铝合金作为电池包壳体材料、对顶盖、托架和横梁等部件分别进行形貌、尺寸和拓扑优化以及加强筋重新布局等方法。目前的研究主要集中于对电池包的某些部件进行形貌、拓扑优化，或选用铝合金等轻量化材料对其进行轻量化设计等；而尚未系统地开展其他轻量化材料如高强钢的选材研究。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，包括以下步骤：
1)确定电池包壳体的优化对象和设计变量，并基于所述优化对象和设计变量对电池包壳体进行试验设计，得到电池包壳体的试验矩阵。
所述电池包壳体包括上盖、底壳、上支架、上下层连接支架、下支架、若干吊耳和托架。
所述上盖盖设在底壳上，从而形成封闭腔体。
上支架、下支架分层嵌设在底壳内，从而将封闭腔体分割为若干子腔体。
所述上支架和下支架通过上下层连接支架连接。
所述下支架包括若干下支架纵梁和若干下支架横梁。
所述下支架纵梁和下支架横梁将子腔体分隔成若干电池放置单元。一个电池放置单元内供一组电池放入。
若干吊耳通过托架依次连接在底壳的外侧壁上；
所述上盖、底壳、上支架、上下层连接支架、下支架、吊耳和托架为优化对象。优化变量的材料和厚度为设计变量。
对电池包壳体进行试验设计的步骤包括：
1.1)在Isight软件中建立获取试验矩阵的组件，包括Excel组件和DOE组件。
1.2)在Excel组件中导入设计变量，设置所有设计变量水平。
1.3)在DOE组件中选择正交试验设计方法，得到若干组待分析的试验组合，并写入试验矩阵中。
2)对所述试验矩阵进行随机振动分析，获得每个样本对应的优化对象的随机振动应力响应值，并建立二阶响应面模型，步骤如下：
2.1)对试验矩阵进行随机振动分析，得到每组试验组合随机振动分析中每个优化对象的应力值和第一阶固有频率，并计算每组试验组合对应的电池包壳体重量。
2.2)利用二阶响应面方法建立优化对象随机振动工况应力值的近似模型。
2.3)检验近似模型的可信度，若可信度低于可信度阈值，则增加待分析的试验组合的数量，并返回步骤1)，否则，以优化对象随机振动工况应力值的近似模型作为二阶响应面模型输出。
3)以质量最小为优化目标，以满足随机振动工况和第一阶模态为约束，利用多岛遗传算法对二阶响应面模型进行优化，得到轻量化的电池包壳体，步骤包括：
3.1)在Isight软件中搭建优化流程组件，包括近似模型组件和优化组件。其中，优化组件中存储二阶响应面模型。
3.2)在Optimization组件中设置质量最小为优化目标，设置第一阶固有频率大于最小频率F、优化对象应力值小于材料屈服强度P为约束，设置多岛遗传优化算法为优化算法。
3.3)运行所搭建的优化流程，得到轻量化的电池包壳体。
4)验证轻量化的电池包壳体的可靠性，步骤如下：
4.1)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行定频振动分析，分析每个优化对象应力值是否符合所选用材料的屈服强度，若不符合，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。
对轻量化的电池包壳体进行定频振动分析的步骤包括：
4.1.1)设置频率范围内的正弦曲线，定频频率为f。
4.1.2)将加速度激励与正弦曲线结合起来形成动载荷。
4.1.3)创建求解频率，设置求解频率范围。
4.1.4)定义频响分析步，设置输出卡片，获得每个优化对象应力值。
4.2)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行机械冲击分析，分析每个优化对象应力值是否符合所选用材料的屈服强度，若不符合，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。
对轻量化的电池包壳体进行机械冲击分析的步骤包括：
4.2.1)输入机械冲击加载曲线。
4.2.2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度。
4.2.3)设置各优化对象间的接触以防止产生穿透现象。
4.2.4)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长。
4.2.5)设置输出控制卡片，求解获得机械冲击工况结果。所述输出控制卡片包括应力、应变。
4.3)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行模拟碰撞分析，分析每个优化对象应变值是否处于集合[P1，P2]中，若不是，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。P1、P2分别为设定的应变值下限和上限。
对轻量化的电池包壳体进行模拟碰撞分析的步骤包括：
4.3.1)输入模拟碰撞工况X/Y向加速度曲线。
4.3.2)设置电池包的初始速度。
4.3.3)约束电池包壳体吊耳处除运动方向外的自由度。
4.3.4)设置各优化对象间的接触以防止发生穿透现象。
4.3.5)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长。
4.3.6)设置输出控制卡片，求解获得碰撞工况结果。所述输出控制卡片包括应力、应变。
4.4)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行挤压分析，判断在挤压力达到N时是否挤压到电池模组，若是，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。
对轻量化的电池包壳体进行挤压分析的步骤包括：
4.4.1)在轻量化的电池包壳体有限元模型中建立挤压板。
4.4.2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度。
4.4.3)将所述挤压板设置为刚体，并约束挤压板除运动方向外的自由度，赋予挤压板初始运动速度。
4.4.4)设置各优化对象间的接触以防止发生穿透现象。
4.4.5)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长。
4.4.6)设置输出控制卡片，求解获得挤压工况分析结果。所述输出控制卡片包括应力、应变。
本发明具有显著的技术效果，基于某电池包壳体真实结构建立有限元模型，对其进行约束模态分析并与实验对比，验证有限元模型的可用性。对建立的初始模型进行随机振动分析选择部分部件进行试验设计，以部件的厚度和材料为设计变量，分别取三个水平，获得108组试验组合，对这些组合进行随机振动分析获得各部件的应力响应值，并根据获得的样本数据建立二阶响应面近似模型。采用多岛遗传算法，以质量最小为优化目标，以满足各部件所选材料的屈服强度为约束，进行优化设计获得优化后的结果。
在此基础上，本发明通过对优化后的模型进行定频振动、机械冲击、模拟碰撞和挤压分析，验证优化后的电池包壳体的可靠性。结果表明，优化的电池包壳体在满足上述振动、冲击等多学科工况性能要求的情况下，减重13.91％。
本发明公开的根据电池包壳体的真实结构，考虑部件壁厚和材料的试验设计，获得试验样本数据并建立近似模型，从而有利于减少每一次优化后的仿真分析时间，减少工程实际中复杂结构电池包壳体的试验次数，可以达到降低开发成本，缩短产品开发周期的效果。
本发明基于某电池包壳体的真实结构，对壳体部件建立2D有限元模型，对电池模组建立3D均质有限元模型。通过对其进行约束模态分析，将第一阶固有频率与台架试验结果对比，验证所见有限元模型的准确性，可用于后续的优化分析。
在对电池包系统进行实验的各工况中，随机振动Z向工况最为严苛。本发明将从随机振动分析着手，选择部分受影响较大部件作为对象，以部件厚度和材料为设计变量，采用正交试验设计方法获得试验矩阵。对获得的试验样本进行随机振动分析得到各部件的应力值，采用二阶响应面方法建立各部件应力值的近似模型，用多岛遗传算法对建立的近似模型进行轻量化优化，再对优化后的电池包壳体进行定频振动、机械冲击、模拟碰撞与挤压分析，验证优化后模型的可靠性。考虑到实车搭载试验的周期与成本，所探讨的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体轻量化设计流程具有一定的理论与实际意义。
附图说明
图1为轻量化设计流程图；
图2为随机振动功率谱密度曲线；
图3(a)—图3(d)分别为随机振动主要部件应力云图I、随机振动主要部件应力云图II、随机振动主要部件应力云图III、随机振动主要部件应力云图IV；
图4为部分2D近似模型示意图；
图5(a)—图5(f)分别为部分3D近似模型示意图I、部分3D近似模型示意图II、部分3D近似模型示意图III、部分3D近似模型示意图IV、部分3D近似模型示意图V、部分3D近似模型示意图VI；
图6(a)—图6(j)分别为部件随机振动1σ应力值相应误差示意图I、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图II、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图III、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图IV、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图V、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图VI、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图VII、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图VIII、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图VIIII、部件随机振动1σ应力值相应误差示意图X；
图7(a)—图7(d)分别为定频振动主要部件应力云图I、定频振动主要部件应力云图II、定频振动主要部件应力云图III、定频振动主要部件应力云图VI；
图8为机械冲击容差范围示意图；
图9(a)—图9(d)分别为机械冲击整体应力云图I、机械冲击整体应力云图II、机械冲击整体应力云图III、机械冲击整体应力云图VI；
图10为X向模组碰撞应力云图；
图11为Y向模组碰撞应力云图；
图12为X向挤压结果；
图13为X向底壳上与模组相近点位移随时间变化曲线图；
图14为Y向挤压结果。
图15为Y向底壳上与模组相近点位移随时间变化曲线图；
图16为电池包壳体结构示意图；
图中，上盖1、底壳2、上支架3、上下层连接支架4、下支架纵梁5、下支架横梁6、吊耳7、长托架81、短托架82。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，包括以下步骤：
1)确定电池包壳体的优化对象和设计变量，并基于所述优化对象和设计变量对电池包壳体进行试验设计，得到电池包壳体的试验矩阵。所述电池包壳体包括上盖1、底壳2、上支架3、上下层连接支架4、下支架、吊耳7和托架；所述上盖1盖设在底壳2上，从而形成封闭腔体；上支架3、下支架分层嵌设在底壳2内，从而将封闭腔体分割为若干子腔体；所述上支架3和下支架通过上下层连接支架4连接；所述下支架包括若干下支架纵梁5和若干下支架横梁6；所述下支架纵梁5和下支架横梁6将子腔体分隔成若干电池放置单元；一个电池放置单元内供一组电池放入；若干下支架纵梁5平行，若干下支架横梁6平行，任意一个下支架纵梁5和任意一个下支架横梁6相互垂直；下支架纵梁5和下支架横梁6位于同一水平面。若干吊耳7通过托架依次连接在底壳2的外侧壁上；所述吊耳7具有不同规格，其中，规格大的吊耳7用长托架81连接在底壳2的外侧壁上，规格小的吊耳7用短托架82连接在底壳2的外侧壁上。
所述上盖1、底壳2、上支架3、上下层连接支架4、下支架、吊耳7和托架为优化对象。优化变量的材料和厚度为设计变量。
对电池包壳体进行试验设计的步骤包括：
1.1)在Isight软件中建立获取试验矩阵的组件，包括Excel组件和DOE组件。
1.2)在Excel组件中导入设计变量，设置所有设计变量水平。
1.3)在DOE组件中选择正交试验设计方法，得到若干组待分析的试验组合，并写入试验矩阵中。
2)对所述试验矩阵进行随机振动分析，获得每个样本对应的优化对象的随机振动应力响应值，并建立二阶响应面模型，步骤如下：
2.1)对试验矩阵进行随机振动分析，得到每组试验组合随机振动分析中每个优化对象的应力值和第一阶固有频率，并计算每组试验组合对应的电池包壳体重量。
2.2)利用二阶响应面方法建立优化对象随机振动工况应力值的近似模型。
2.3)检验近似模型的可信度，若可信度低于可信度阈值，则增加待分析的试验组合的数量，并返回步骤1)，否则，以优化对象随机振动工况应力值的近似模型作为二阶响应面模型输出。
3)以质量最小为优化目标，以满足随机振动工况和第一阶模态为约束，利用多岛遗传算法对二阶响应面模型进行优化，得到轻量化的电池包壳体，步骤包括：
3.1)在Isight软件中搭建优化流程组件，包括近似模型组件和优化组件。其中，优化组件中存储二阶响应面模型。
3.2)在Optimization组件中设置质量最小为优化目标，设置第一阶固有频率大于最小频率F、优化对象应力值小于材料屈服强度P为约束，设置多岛遗传优化算法为优化算法。
3.3)运行所搭建的优化流程，得到轻量化的电池包壳体。
4)验证轻量化的电池包壳体的可靠性，步骤如下：
4.1)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行定频振动分析，分析每个优化对象应力值是否符合所选用材料的屈服强度，若不符合，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。
对轻量化的电池包壳体进行定频振动分析的步骤包括：
4.1.1)设置频率范围内的正弦曲线，定频频率为f。
4.1.2)将加速度激励与正弦曲线结合起来形成动载荷。
4.1.3)创建求解频率，设置求解频率范围。
4.1.4)定义频响分析步，设置输出卡片，获得每个优化对象应力值。
4.2)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行机械冲击分析，分析每个优化对象应力值是否符合所选用材料的屈服强度，若不符合，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。
对轻量化的电池包壳体进行机械冲击分析的步骤包括：
4.2.1)输入机械冲击加载曲线。
4.2.2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度。
4.2.3)设置各优化对象间的接触以防止产生穿透现象。
4.2.4)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长。
4.2.5)设置输出控制卡片，求解获得机械冲击工况结果。所述输出控制卡片包括应力、应变。
4.3)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行模拟碰撞分析，分析每个优化对象应变值是否处于集合[P1，P2]中，若不是，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。P1、P2分别为设定的应变值下限和上限。
对轻量化的电池包壳体进行模拟碰撞分析的步骤包括：
4.3.1)输入模拟碰撞工况X/Y向加速度曲线。
4.3.2)设置电池包的初始速度。
4.3.3)约束电池包壳体吊耳处除运动方向外的自由度。
4.3.4)设置各优化对象间的接触以防止发生穿透现象。
4.3.5)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长。
4.3.6)设置输出控制卡片，求解获得碰撞工况结果。所述输出控制卡片包括应力、应变。
4.4)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行挤压分析，判断在挤压力达到N时是否挤压到电池模组，若是，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。
对轻量化的电池包壳体进行挤压分析的步骤包括：
4.4.1)在轻量化的电池包壳体有限元模型中建立挤压板。
4.4.2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度。
4.4.3)将所述挤压板设置为刚体，并约束挤压板除运动方向外的自由度，赋予挤压板初始运动速度。
4.4.4)设置各优化对象间的接触以防止发生穿透现象。
4.4.5)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长。
4.4.6)设置输出控制卡片(应力、应变)，求解获得挤压工况分析结果。
实施例2：
基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，包括以下步骤：
1)选择电池包壳体中的部分部件进行试验设计(DOE),步骤如下：
1.1)获取电池包壳体初始模型的随机振动各部件应力值，计算各部件重量，随机振动分析步骤如下：
1.1.1)约束吊耳孔处的6个自由度，并将这些点通过set集集中于一个点；
1.1.2)设置频率范围内的正弦曲线和加速度激励，加速度激励为1g，即9.8m/s2；
1.1.3)将加速度激励与正弦曲线结合起来形成动载荷；
1.1.4)创建求解频率，设置求解频率范围；
1.1.5)定义频响分析步；
1.1.6)输入随机振动功率谱曲线，采用加速度方式加载到步骤1.1)设置的set点集上；
1.1.7)设置输出卡片，获得各部件的随机振动应力值。
1.2)选择电池包壳体的上盖1、底壳2、上支架3、上下层连接支架4、下支架、吊耳7和托架为优化对象；
1.3)以步骤1.2)选取的各部件的厚度和材料为设计变量：厚度的选择以初始厚度为基础，以0.1mm或0.2mm为间隔，分别取三个水平，材料有590DP、780DP和980DP三个水平；
1.4)在Isight软件中建立获取试验矩阵的组件，有Excel组件和试验设计(DOE)组件，在Excel组件中导入设计变量，设置各变量水平；
1.5)在DOE组件中选择正交试验设计方法，运行所搭建流程，获得108组需要进行分析的试验组合；
2)建立二阶响应面近似模型，步骤如下：
2.1)对获得的108组试验组合进行随机振动分析，随机振动步骤如试验设计步骤中的1.1)所示；
2.2)获取各组试验样本随机振动分析中各部件的应力值和第一阶固有频率，并计算各样本的电池包壳体重量；
2.3)根据样本点，采用二阶响应面方法建立所选部件随机振动工况应力值的近似模型；
2.4)检验近似模型的可信度，若不可信，则需增加样本，若可信，则可以用此近似模型进行后续优化；
3)基于二阶响应面模型进行轻量化设计，基本步骤如下：
3.1)在Isight软件中搭建优化流程，包括近似模型(Optimization)组件和优化(Approximation)组件；
3.2)在Approximation组件中为根据获得的样本点建立的近似模型；
3.3)在Optimization组件中选择多岛遗传优化算法，设置质量最小为优化目标；
3.4)在Optimization组件中设置第一阶固有频率大于30Hz为约束，设置各部件的应力值小于材料屈服强度为约束；
3.5)运行所搭建的优化流程，得到轻量化优化结果；
4)对优化后的模型进行验证，步骤如下：
4.1)对优化后的模型进行定频振动分析，分析各部件应力值是否符合所选用材料的屈服强度，定频振动分析步骤如下：
4.1.1)设置频率范围内的正弦曲线，定频频率为24Hz，可将范围设置为23-25Hz；
4.1.2)将加速度激励与正弦曲线结合起来形成动载荷；
4.1.3)创建求解频率，设置求解频率范围；
4.1.4)定义频响分析步，设置输出卡片，获得各部件应力值。
4.2)对优化后的模型进行机械冲击分析，分析各部件应力值是否符合所选用材料的屈服强度，机械冲击分析步骤如下：
4.2.1)输入机械冲击加载曲线，按照机械冲击容差范围的最严格标准输入；
4.2.2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度；
4.2.3)设置各部件间的接触以防止穿透现象；
4.2.4)设置沙漏能、仿真时长、步长等控制卡片；
4.2.5)设置应力、应变等输出控制卡片，求解获得机械冲击工况结果。
4.3)对优化后的模型进行模拟碰撞分析，分析各部件应变是否在可接受范围之内，模拟碰撞分析步骤如下：
4.3.1)输入模拟碰撞工况X/Y向加速度曲线；
4.3.2)为了使电池包发生碰撞后速度降为0，推算电池包的初始速度；
4.3.3)约束电池包壳体吊耳处除运动方向外的自由度；
4.3.4)设置各部件间的接触以防止穿透现象；
4.3.5)设置沙漏能、仿真时长、步长等控制卡片；
4.3.6)设置应力、应变等输出控制卡片，求解获得碰撞工况分析结果。
4.4)对优化后的模型进行挤压分析，查看在挤压力达到100kN时是否挤压到模组，挤压分析步骤如下：
4.4.1)在已有的电池包有限元模型中建立一个圆柱挤压板；
4.4.2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度；
4.4.3)将挤压板设置为刚体，并约束挤压板除运动方向外的自由度，给挤压板初始运动速度；
4.4.4)设置各部件间的接触以防止穿透现象；
4.4.5)设置沙漏能、仿真时长、步长等控制卡片；
4.4.6)设置应力、应变、位移、力等输出控制卡片，求解获得挤压工况分析结果。
实施例3：
参见图1至图16，基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，包括以下步骤：
1)有限元模型的建立与验证
本发明研究的电池包壳体3D结构如图1所示，主要部件有上盖、下壳体、纵横梁、上支架以及托架。该原始模型下壳体使用的材料主要有DC01、B210、B280和B340等，上盖材料为复合材料SMC，主要部件采用的材料以及相关材料属性如表1和表2所示。
表1相关部件材料及壁厚
表2材料属性
该电池包壳体各部件的壁厚在1-3mm左右，且其长宽比远大于壁厚，可以采用壳单元对其建模，对于电池模组本发明采用均质化模型建立电池模组。经过几何清理、网格划分、部件间的连接与材料赋予等步骤，建立的有限元模型如图2所示。经检查，该电池包壳体有限元模型共90679个单元，其中四边形单元87141个，占总网格数的96.1％，三角形单元3538个，占比3.9％，且网格合格率达到99.9％，该有限元模型具有较高的网格质量。
在本发明中，通过对有限元模型进行约束模态分析，并与台架试验结果对比来验证所建立的有限元模型的有效性和可用性。约束模态分析结果显示前六阶固有频率分别为31.2Hz、42Hz、44.5Hz、55.9Hz、62.1Hz和64.9Hz，各阶振型描述如表3所示。
表3前六阶振型描述
通过上述仿真分析结果可知，该电池包壳体有限元模型的约束模态分析第一阶固有频率为31.2Hz，而经过台架试验测量所得的一阶固有频率为32Hz，相对误差为2.5％，相对误差较小，因此所建立的有限元模型可用于后续的优化分析。
2)以部件的厚度和材料为设计变量，进行试验设计
2.1)初始模型的随机振动分析：在行驶过程中，汽车上的部件会由于路面环境因素影响处于振动状态。振动分析能模拟行驶时的振动环境，分析各部件在受振动时的应力、应变情况，为部件的设计与制造提供参考。从实验中得知，电池包随机振动工况的三个方向中Z向工况最为严苛，而X和Y向一般能满足要求，因此将采用随机振动Z向工况对该电池包壳体进行分析来初步确定需要进行轻量化优化的部件。通过对电池包的随机振动分析，可以得到各部件的应力值。参考标准《20160967-Q-339电动汽车用动力蓄电池安全要求》(以下简称标准)，对安装在车辆乘员舱下部的电池包施加随机激励，其功率谱密度如表4所示。
表4电池包振动测试条件
随机振动分析应力值见表5，部分部件的应力云图见图5。
表5各部件随机振动工况最大应力值(原模型)
2.2)选择部件进行试验设计。根据初始模型的随机振动分析结果，选择电池包壳体的长托架、短托架、吊耳、底壳、横梁、上下支架连接板、上支架、线束部件和纵梁为优化对象。将各部件的厚度和材料为设计变量：厚度的选择以初始厚度为基础，以0.1mm或0.2mm为间隔，分别取三个水平，材料有590DP、780DP和980DP三个水平，材料属性见表6，壁厚和材料因子及水平分别见表7、8。
表6高强钢材料属性
表7壁厚因子及水平取值
表8材料因子及水平取值
由于壁厚有一定的规格，而且材料的选择也不是连续的，因此本发明考虑采用正交试验设计并取壁厚及材料的离散值来进行试验设计获得样本点，对该电池包壳体进行设计分析。在Isight软件中搭建获取试验矩阵的流程，选择正交试验设计方法，表9所示为获得的部分试验矩阵。
表9部分实验设计矩阵
(注：t_xx表示部件xx的厚度，m_xx表示部件xx的材料，在Isight中部件名称用中文拼音表示。)
3)建立二阶响应面近似模型：对获得的108组试验组合进行随机振动分析，表10所示为部分样本各部件随机振动工况1σ应力值。
表10随机振动部件响应值
近似模型通常可以建立设计变量与响应之间的关系式，其基本原理为利用数学理论上的近似技术对离散点数据进行拟合或插值以实现对未知点响应的预测，用简单的具有表达式的数学模型来代替工程设计中复杂的、具有大量自由度的计算机仿真模型进行分析与计算。常用的近似模型方法有响应面模型、克里金模型和径向基/椭圆基神经网络模型。根据样本点，本发明采用二阶响应面方法建立所选部件随机振动工况应力值的近似模型。
响应面法可以通过较少的试验在局部范围内比较精确的逼近函数关系，代数表达式较简单，为设计优化带来简便，响应面法可以通过回归模型的选择，拟合复杂的响应关系，具有良好的鲁棒性。
式3.1和式3.2分别为响应面模型的低阶线性多项式和二次多项式。
式中，βi为多项式系数，p为变量的个数。
图6和图7所示分别为各部件的二阶响应面模型的部分2D和3D示意图。对建立的二阶响应面近似模型检验，本发明基于R2检测所建立的近似模型的可信度，其表达公式如下所示：
R2的值在0到1之间，一般认为R2大于0.9则所建立的近似模型可靠，表11所示为R2检测所得到的所有响应的平均误差值。
表11基于R2检测的响应平均误差值
4)基于二阶响应面模型进行轻量化设计。
本节将基于上述建立的近似模型进行电池包壳体的轻量化设计，旨在满足电池包壳体的各项性能的前提下最大程度的降低该电池包壳体的质量，达到轻量化的目的。以电池包壳体最小为优化目标，以各部件的随机振动1σ应力值为约束，以部件的材料及壁厚为设计变量，采用多到遗传算法进行优化设计。该算法主要借助生物进化过程中“适者生存”的规律，模仿生物进化过程中的遗传繁殖机制，对优化问题解空间的个体进行编码，然后对编码后的个体种群进行遗传操作，通过迭代从新种群中寻找含有最优解或较优解的组合。
从各部件的随机振动响应值中可以看出，吊耳，上支架以及纵梁上的最大1σ应力值较大，所以对于这三个部件可选择的材料本文将其设置为780DP和980DP，其应力值约束设置为小于等于材料780DP的屈服强度的三分之一(183MPa)。其余部件的材料将从590DP,780DP和980DP中选取，其应力值约束设置为小于等于材料590DP的屈服强度三分之一(132MPa)。其优化的数学模型如下：
Minimize:mass_keti
Subject to:s_changtuojia≤132；s_diaoer≤183；s_dike≤132；s_duantuojia≤132；s_hengliang≤132；s_shangxiazhijialianjie≤132；s_shangzhijia≤183；s_xianshu≤132；s_zongliang≤183
优化计算过后的结果如表12所示：
表12各部件优化前后材料及壁厚变化
5)对优化后的模型进行验证。
5.1)对优化后的模型进行定频振动分析，根据标准规定，定频振动分析的参数设置如表13所示。
表13定频振动测试条件
定频振动分析部分部件应力值如表14所示，应力云图如图9所示。
表14定频振动主要部件应力值
从定频振动工况看出，虽然部件的应力值有所增大，这是由于减薄部件了厚度，但是因为升级了所采用的材料，其应力值仍然符合所采用的材料的屈服强度要求，不会对电池包壳体部件造成破坏，可以通过定频振动工况的验证。
5.2)对优化后的模型进行机械冲击分析，机械冲击指系统受到突然和非周期性激励时的状态变化。机械冲击试验是为了评估电池包受到一系列冲击时其性能是否失效。根据标准，本发明对所研究的电池包进行机械冲击分析的测试参数如表15所示。
表15机械冲击测试参数
标准中要求相邻两次冲击的间隔时间以两次冲击在试验品上造成的响应不发生相互影响为标准。因此在仿真分析中，如果进行一次冲击后其最大应力未超过材料的屈服强度，则可只进行一次机械冲击仿真分析。加载的机械冲击曲线如图10所示，表16所示为机械冲击结果。
表16机械冲击工况主要部件应力值
从机械冲击工况看出，虽然部件的应力值有所增大，但是其应力值仍然符合所采用的材料的屈服强度要求，不会对电池包壳体部件造成破坏，也可以通过机械冲击工况的验证。
5.3)为了降低电动汽车碰撞事故对乘员造成的机械伤害以及保证电池包的碰撞安全性，本发明将对优化后的电池包进行模拟碰撞工况的验证。对优化后的电池包壳体分别加载X和Y向的加速度脉冲，得到的主要部件应力以及应变值如表17所示，电池包的应力云图如图12和图13所示：
表17碰撞工况应力应变值
在碰撞工况中，对于该电池包的评判标准一般以部件的应变为标准。从表16中可以看出，虽然有些部件的应力值较大，但其应变较小，不会对模组造成破坏，所以其模组处于安全的状态，符合碰撞工况的要求，而且模组的应力值仍然较小，只有十几兆帕，此应力也不会引起模组产生起火、泄露等现象，图14和图15分别为X和Y向碰撞分析模组的应力云图。
5.4)对优化后的模型进行挤压分析，分析结果表明优化后的电池包壳体仍然符合挤压工况要求，当挤压柱的力达到100kN时，还未挤压到模组，表18所示为Y向挤压力随时间变化的部分数据，
表18Y向挤压力-时间部分数据
表18Y向位移-时间部分数据
根据插值法可求得当挤压力为100kN时，时间为0.037679s。而在初始状态时，底壳上与模组相近的点与模组间的Y向距离为58.2mm，由表18，根据插值法可求得，当时间点为0.037679s时，该点的位移为57.075mm，小于该点与模组间的距离，所以未挤压到电池模组，可以通过挤压工况的验证。
表19X向挤压力-时间部分数据
表20X向挤压位移-时间部分数据
对于X向，根据插值法可求得当挤压力为100kN时，时间为0.04341812s。而底壳上与模组相近的点与模组间的X向距离为67.62mm，当时间点为0.04341812s时，该点的位移为61.3287mm，小于该点与模组间的距离，所以未挤压到电池模组，满足挤压工况的要求。
经过对优化后的电池包壳体各工况的验证，优化后的电池包壳体能满足各工况的要求，验证轻量化后的电池包壳体的可靠性。
Claims (10)
1.基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定电池包壳体的所述优化对象和设计变量，并基于所述优化对象和设计变量对电池包壳体进行试验设计，得到电池包壳体的试验矩阵。
2)对所述试验矩阵进行随机振动分析，获得每个样本对应的优化对象的随机振动应力响应值，并建立二阶响应面模型；
3)以质量最小为优化目标，以满足随机振动工况和第一阶模态为约束，利用多岛遗传算法对二阶响应面模型进行优化，得到轻量化的电池包壳体；
4)验证轻量化的电池包壳体的可靠性。
2.根据权利要求1所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于：所述电池包壳体包括上盖(1)、底壳(2)、上支架(3)、上下层连接支架(4)、下支架、若干吊耳(7)和托架；
所述上盖(1)盖设在底壳(2)上，从而形成封闭腔体；
上支架(3)、下支架分层嵌设在底壳(2)内，从而将封闭腔体分割为若干子腔体；
所述上支架(3)和下支架通过上下层连接支架(4)连接；
所述下支架包括若干下支架纵梁(5)和若干下支架横梁(6)；
所述下支架纵梁(5)和下支架横梁(6)将子腔体分隔成若干电池放置单元；一个电池放置单元内供一组电池放入；
若干吊耳(7)通过托架依次连接在底壳(2)的外侧壁上；
所述上盖(1)、底壳(2)、上支架(3)、上下层连接支架(4)、下支架、吊耳(7)和托架为优化对象；优化变量的材料和厚度为设计变量。
3.根据权利要求2所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于，对电池包壳体进行试验设计的步骤包括：
1)在Isight软件中建立获取试验矩阵的组件，包括Excel组件和DOE组件；
2)在Excel组件中导入设计变量，设置所有设计变量水平；
3)在DOE组件中选择正交试验设计方法，得到若干组待分析的试验组合，并写入试验矩阵中。
4.根据权利要求1所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于，建立二阶响应面近似模型的步骤如下：
1)对试验矩阵进行随机振动分析，得到每组试验组合随机振动分析中每个优化对象的应力值和第一阶固有频率，并计算每组试验组合对应的电池包壳体重量；
2)利用二阶响应面方法建立优化对象随机振动工况应力值的近似模型；
3)检验近似模型的可信度，若可信度低于可信度阈值，则增加待分析的试验组合的数量，并返回步骤1)，否则，以优化对象随机振动工况应力值的近似模型作为二阶响应面模型输出。
5.根据权利要求1所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于，利用多岛遗传算法对二阶响应面模型进行优化的步骤包括：
1)在Isight软件中搭建优化流程组件，包括近似模型组件和优化组件；其中，优化组件中存储二阶响应面模型；
2)在Optimization组件中设置质量最小为优化目标，设置第一阶固有频率大于最小频率F、优化对象应力值小于材料屈服强度P为约束，设置多岛遗传优化算法为优化算法；
3)运行所搭建的优化流程，得到轻量化的电池包壳体。
6.根据权利要求1所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于：验证轻量化的电池包壳体的可靠性的步骤如下：
1)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行定频振动分析，分析每个优化对象应力值是否符合所选用材料的屈服强度，若不符合，则认定轻量化的电池包壳体不可靠；
2)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行机械冲击分析，分析每个优化对象应力值是否符合所选用材料的屈服强度，若不符合，则认定轻量化的电池包壳体不可靠；
3)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行模拟碰撞分析，分析每个优化对象应变值是否处于集合[P1，P2]中，若不是，则认定轻量化的电池包壳体不可靠；P1、P2分别为设定的应变值下限和上限；
4)利用Isight软件对轻量化的电池包壳体进行挤压分析，判断在挤压力达到N时是否挤压到电池模组，若是，则认定轻量化的电池包壳体不可靠。
7.根据权利要求6所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于，对轻量化的电池包壳体进行定频振动分析的步骤包括：
1)设置频率范围内的正弦曲线，定频频率为f；
2)将加速度激励与正弦曲线结合起来形成动载荷；
3)创建求解频率，设置求解频率范围；
4)定义频响分析步，设置输出卡片，获得每个优化对象应力值。
8.根据权利要求6所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于，对轻量化的电池包壳体进行机械冲击分析的步骤包括：
1)输入机械冲击加载曲线；
2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度；
3)设置各优化对象间的接触以防止产生穿透现象；
4)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长；
5)设置输出控制卡片，求解获得机械冲击工况结果；所述输出控制卡片包括应力、应变。
9.根据权利要求6所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于，对轻量化的电池包壳体进行模拟碰撞分析的步骤包括：
1)输入模拟碰撞工况X/Y向加速度曲线；
2)设置电池包的初始速度；
3)约束电池包壳体吊耳处除运动方向外的自由度；
4)设置各优化对象间的接触以防止发生穿透现象；
5)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长；
6)设置输出控制卡片，求解获得碰撞工况结果；所述输出控制卡片包括应力、应变。
10.根据权利要求6所述的基于二阶响应面模型的新能源汽车电池包壳体减重设计方法，其特征在于：对轻量化的电池包壳体进行挤压分析的步骤包括：
1)在轻量化的电池包壳体有限元模型中建立挤压板；
2)约束电池包壳体吊耳处的6个自由度；
3)将所述挤压板设置为刚体，并约束挤压板除运动方向外的自由度，赋予挤压板初始运动速度；
4)设置各优化对象间的接触以防止发生穿透现象；
5)设置控制卡片，包括沙漏能、仿真时长、步长；
6)设置输出控制卡片，求解获得挤压工况分析结果；所述输出控制卡片包括应力、应变。
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