CN114707386A - 一种电动车电池包壳体辐射噪声cae优化方法 - Google Patents

一种电动车电池包壳体辐射噪声cae优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于电动车的电脑辅助设计技术领域，具体涉及一种电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，包括：步骤一，建立电动汽车电池包整体的电池包有限元模型；步骤二，对电池包有限元模型进行振动响应分析，预估电池包壳体的电池包辐射噪声模型，得到振动参数；步骤三，通过形貌优化方法，利用振动参数对电池包壳体声学传递向量和法向振动速度均较大区域的加强筋布局进行重新设计，得到电池包壳体形貌优化云图。本发明让电池包壳体的设计更合理，减小电池包在车辆行驶过程中的辐射噪声。

Description

一种电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法
技术领域
本发明涉及用于电动车的电脑辅助设计技术领域，具体涉及一种电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法。
背景技术
能源需求的多样化发展，促进了以电能作为动力源的电动汽车技术的发展，电动汽车技术的深入发展，使得电动汽车自身的品质受到消费者的广泛关注。NVH性能是决定电动汽车品质感最重要的一项指标，所以，电动汽车的NVH性能评价非常重要。电动汽车在运行工况下，振源的激励传递至动力总成的壳体、车身壁板等薄壁件处时，会诱发辐射噪声，该辐射噪声是引起NVH性能问题的主要来源。
对于电动汽车而言，电池包安装于车身地板下方，与车身形成混响场，路噪通过电池包壳体后的辐射噪声被放大，导致车内噪声增大。电动汽车由于失去了发动机和进排气噪声的掩蔽效应，导致了电池包壳体这类薄壁件振动产生的辐射噪声更加凸显，所以，急需一种能够对电池包壳体辐射噪声进行优化的电池包设计方法。
发明内容
本发明意在提供一种电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，以对电池包壳体的辐射噪声进行优化，以减小电动汽车电池包处的辐射噪声。
本方案中的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，包括：
步骤一，建立电动汽车电池包整体的电池包有限元模型；
还包括：
步骤二，对电池包有限元模型进行振动响应分析，预估电池包壳体的电池包辐射噪声模型，得到振动参数；
步骤三，通过形貌优化方法，利用振动参数对电池包壳体声学传递向量和法向振动速度均较大区域的加强筋布局进行重新设计，得到电池包壳体形貌优化云图。
本方案的有益效果是：
利用有限元法对电池包整体进行建模得到的电池包有限元模型，然后对电池包有限元模型的辐射噪声模型进行预估，并得到振动参数，利用振动参数和形貌优化方法对电池包壳体，进行相应的重新优化设计。让电池包壳体的设计更合理，减小电池包在车辆行驶过程中的辐射噪声，以量化方式表示电池包产品的性能，明确新开发电池包产品的性能，缩短产品的开发周期。
进一步，所述步骤一中，导入待优化电动汽车电池包的三维几何模型，并将电动汽车电池包以上盖、底板和支耳三部分采用板壳单元建模，将内部的电池模组采用mass质量单元和rigid刚体单元模拟，将支耳与车身纵梁连接螺栓采用rigid刚性单元模拟，得到电池包有限元模型。
有益效果是：根据实际的电池包的几何模型进行建模，并给建模得到的模型赋予质量和刚度，让模型能够表征实际电动汽车的部件，提高建模仿真结果的准确性。
进一步，所述步骤二中，在rigid主节点处的Z向施加0-200Hz的单位正弦振动激励，模拟出电动汽车行驶时传递至支耳处的振动，计算电池包有限元模型的振动响应，将该振动响应中的上盖振动响应建立形成上盖辐射噪声仿真模型，作为电池包辐射噪声模型。
有益效果是：通过在模型上添加单位正弦振动激励，以准确模拟电动汽车实际行驶过程中的振动激励，并以此计算振动响应，进而计算上盖辐射噪声，让仿真方式下得到的噪声更符合实际行驶产生的辐射噪声。
进一步，所述步骤二中，计算上盖辐射噪声仿真模型的上盖辐射噪声声功率级曲线，从上盖辐射噪声声功率级曲线上取多个关注频率，并得到在关注频率下的上盖振动速度响应云图、声场场点声压级云图和声压级较大的场点对应的ATV云图，作为振动参数。
有益效果是：对得到的上盖辐射噪声仿真模型计算对应的噪声声功率曲线，并取多个关注频率，以各个关注频率下的多个云图作为振动参数，以准确提取出预估得到的辐射噪声模型中的多个评价参数，让评价更全面。
进一步，所述步骤三中，将上盖顶部有限元模型中的原有加强筋去掉后的各单元空间位置作为设计变量；以原加强筋的形状参数作为形貌优化方法中新设加强筋的设计参数，将体积变化量控制在30％以内，作为约束条件；结合上盖振动速度响应云图和ATV云图，以各个关注频率下关键点的法向振动速度响应函数的最小化作为优化目标。
有益效果是：在多个评价参数进行评价后，以上盖振动速度响应云图和ATV云图对上盖的加强筋进行重新布置设计，并保持体积的较小变化量，让电池包的优化不会对体积产生较大改变，优化过程更符合实际应用。
进一步，所述步骤三中，所述设计变量表示为：x＝[x1,x2,...,xn]T，x1，x2，…，xn为上盖各个单元空间位置；约束条件表示为：ΔV≤30％，△V为上盖体积变化量；优化目标表示为：min:fun(V)，fun(V)为关键点法向振动速度响应函数，表示为：
Figure BDA0003603709650000031
其中，n为关注频率的个数；m为某频率下选取的关键点个数；pi为加权系数，这里取各关注频率下上盖辐射噪声仿真声场场点最大声压级值；vj(x)为各关注点的法向振动速度响应。
有益效果是：将设计变量、约束条件和优化目标以表达式的方式进行设计，量化方式的优化更精确，优化结果更准确。
进一步，所述步骤三中，根据电池包壳体形貌优化云图，重新设计电池包壳体CAD模型。
有益效果是：以优化云图进行电池包壳体模型的设计，应用到实际的设计中，减小设计得到的电池包壳体的辐射噪声。
进一步，还包括步骤四，针对重新设计的电池包壳体，计算其辐射噪声性能，验证优化方案的有效性。
有益效果是：对优化后得到的电池包壳体进行验证，保证优化后的电池包壳体符合辐射噪声较小的要求，提高电动汽车的性能，提高用户体验度。
附图说明
图1为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一的流程框图；
图2为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中电池包振动响应有限元模型图；
图3为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中电池包上盖辐射噪声仿真模型图；
图4为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中上盖辐射噪声声功率级曲线图；
图5为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中各个关注频率下上盖振动速度响应云图；
图6为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中各关注频率下声场场点声压级云图；
图7为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中各关注频率下声压级较大的场点对应的ATV云图；
图8为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中上盖顶部各关注频率下关键点分布示意图；
图9为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一中上盖顶部形貌优化加强筋分布云图；
图10为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例一上盖加强筋优化方案示意图；
图11为本发明电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法实施例二中上盖加强筋优化前后辐射噪声对比结果图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
实施例一
电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，如图1所示：包括：
步骤一，导入待优化电动汽车电池包的三维几何模型，并将电动汽车电池包以上盖、底板和支耳三部分采用板壳单元建模，例如CAD模型，三维几何模型导入Hypermesh软件中，建立电动汽车电池包整体的电池包有限元模型，将内部的电池模组采用mass质量单元和rigid刚体单元模拟，将支耳与车身纵梁连接螺栓采用rigid刚性单元模拟，得到电池包有限元模型，如图2所示。
步骤二，在rigid主节点处的Z向施加0-200Hz的单位正弦振动激励，单位正弦振动激励是指0-200Hz扫频激励，也就是0-200的所有频率，模拟出电动汽车行驶时传递至支耳处的振动，使用optistruct软件计算电池包有限元模型的振动响应，对电池包有限元模型进行振动响应分析，将上盖振动响应计算结果导入LMS virtual.Lab软件，上盖振动响应即电池包壳体振动响应，预估电池包壳体的电池包辐射噪声模型，在LMS virtual.Lab软件中将该振动响应中的上盖振动响应建立形成上盖辐射噪声仿真模型，在上盖下方设置一个具有全反射效果的刚性面来模拟地面，地面与电池包底板距离根据实车数据设定，作为电池包辐射噪声模型，如图3所示。
以ISO37744-1994标准建立一个网格节点数为19的半球形场点网格，通过LMSvirtual.Lab仿真软件计算，计算过程为，计算上盖辐射噪声仿真模型的上盖辐射噪声声功率级曲线，如图4所示，从上盖辐射噪声声功率级曲线上取多个峰值处的频率作为关注频率，即将噪声明显峰值对应的250Hz、400Hz、500Hz、及800Hz频率取为关注频率，得到在关注频率下的上盖振动速度响应云图、声场场点声压级云图和声压级较大的场点对应的ATV云图，作为振动参数，ATV为声学传递向量，上盖振动速度响应云图如图5所示，其中图5(a)为250Hz时上盖振动速度响应云图，图5(b)为400Hz时上盖振动速度响应云图，图5(c)为500Hz时上盖振动速度响应云图，由于800Hz的关注频率为中高频段，本实施例仅关注低频段，所以只给出了低频段的云图，声场场点声压级云图如图6所示，图6(a)为250Hz时声场场点声压级云图，图6(b)为400Hz时声场场点声压级云图，图6(c)为500Hz时声场场点声压级云图，ATV云图如图7所示，图7(a)为250Hz时IOS14场点对应的ATC云图，图7(b)为250Hz时IOS18场点对应的ATC云图，图7(c)为400Hz时IOS19场点对应的ATC云图，图7(d)为500Hz时IOS8场点对应的ATC云图。
步骤三，通过形貌优化方法，利用振动参数对电池包壳体声学传递向量和法向振动速度均较大区域的加强筋布局进行重新设计，较大区域根据不同的电池包结构的声学传递向量和振动速度分布进行确定，例如在图5a中，振动速度分布的速度响应大于2.84mm区域，得到电池包壳体形貌优化云图，即将上盖顶部有限元模型中的原有加强筋去掉后的各单元空间位置作为设计变量；以原加强筋的形状参数作为形貌优化方法中新设加强筋的设计参数，将体积变化量控制在30％以内，作为约束条件；结合上盖振动速度响应云图和ATV云图，以各个关注频率下关键点的法向振动速度响应函数的最小化作为优化目标，得到上盖顶部形貌优化加强筋分布云图如图9所示，上盖顶部各关注频率下关键点分布如图8所示，得到优化后的加强筋分布的如图10所示。
上述步骤三中，所述设计变量表示为：x＝[x1,x2,...,xn]T，x1，x2，…，xn为上盖各个单元空间位置；约束条件表示为：ΔV≤30％，△V为上盖体积变化量；优化目标表示为：min:fun(V)，fun(V)为关键点法向振动速度响应函数，表示为：
Figure BDA0003603709650000061
其中，n为关注频率的个数；m为某频率下选取的关键点个数；pi为加权系数，这里取各关注频率下上盖辐射噪声仿真声场场点最大声压级值；vj(x)为各关注点的法向振动速度响应，根据电池包壳体形貌优化云图，重新设计电池包壳体CAD模型。
本实施例利用有限元法对电池包整体进行建模得到的电池包有限元模型，然后对电池包有限元模型的辐射噪声模型进行预估，并得到振动参数，利用振动参数和形貌优化方法对电池包壳体，进行相应的重新优化设计。让电池包壳体的设计更合理，减小电池包在车辆行驶过程中的辐射噪声，以量化方式表示电池包产品的性能，明确新开发电池包产品的性能，缩短产品的开发周期。
实施例二
电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，与实施例一的区别在于，还包括步骤四，针对重新设计的电池包壳体，计算其辐射噪声性能，验证优化方案的有效性。获取优化前、后上盖辐射噪声声功率级见图11。由图11可见，上盖加强筋优化后，250Hz和400Hz辐射噪声峰值分别降低了15.4dB和3.8dB，降噪效果明显。同时，500-650Hz频段噪声得到整体改善。这表明约束条件的表达式和关键点法向振动速度响应函数的表达式描述的形貌优化方法，是一种改善低频段电池包壳体辐射噪声的有效措施。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，包括：
步骤一，建立电动汽车电池包整体的电池包有限元模型；
其特征在于：还包括：
步骤二，对电池包有限元模型进行振动响应分析，预估电池包壳体的电池包辐射噪声模型，得到振动参数；
步骤三，通过形貌优化方法，利用振动参数对电池包壳体声学传递向量和法向振动速度均较大区域的加强筋布局进行重新设计，得到电池包壳体形貌优化云图。
2.根据权利要求1所述的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，其特征在于：所述步骤一中，导入待优化电动汽车电池包的三维几何模型，并将电动汽车电池包以上盖、底板和支耳三部分采用板壳单元建模，将内部的电池模组采用mass质量单元和rigid刚体单元模拟，将支耳与车身纵梁连接螺栓采用rigid刚性单元模拟，得到电池包有限元模型。
3.根据权利要求2所述的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，其特征在于：所述步骤二中，在rigid主节点处的Z向施加0-200Hz的单位正弦振动激励，模拟出电动汽车行驶时传递至支耳处的振动，计算电池包有限元模型的振动响应，将该振动响应中的上盖振动响应建立形成上盖辐射噪声仿真模型，作为电池包辐射噪声模型。
4.根据权利要求3所述的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，其特征在于：所述步骤二中，计算上盖辐射噪声仿真模型的上盖辐射噪声声功率级曲线，从上盖辐射噪声声功率级曲线上取多个关注频率，并得到在关注频率下的上盖振动速度响应云图、声场场点声压级云图和声压级较大的场点对应的ATV云图，作为振动参数。
5.根据权利要求4所述的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，其特征在于：所述步骤三中，将上盖顶部有限元模型中的原有加强筋去掉后的各单元空间位置作为设计变量；以原加强筋的形状参数作为形貌优化方法中新设加强筋的设计参数，将体积变化量控制在30％以内，作为约束条件；结合上盖振动速度响应云图和ATV云图，以各个关注频率下关键点的法向振动速度响应函数的最小化作为优化目标。
6.根据权利要求5所述的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，其特征在于：所述步骤三中，所述设计变量表示为：x＝[x1,x2,...,xn]T，x1，x2，…，xn为上盖各个单元空间位置；约束条件表示为：ΔV≤30％，△V为上盖体积变化量；优化目标表示为：min:fun(V)，fun(V)为关键点法向振动速度响应函数，表示为：
Figure FDA0003603709640000021
其中，n为关注频率的个数；m为某频率下选取的关键点个数；pi为加权系数，这里取各关注频率下上盖辐射噪声仿真声场场点最大声压级值；vj(x)为各关注点的法向振动速度响应。
7.根据权利要求6所述的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，其特征在于：所述步骤三中，根据电池包壳体形貌优化云图，重新设计电池包壳体CAD模型。
8.根据权利要求1所述的电动车电池包壳体辐射噪声CAE优化方法，其特征在于：还包括步骤四，针对重新设计的电池包壳体，计算其辐射噪声性能，验证优化方案的有效性。
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