车辆前舱电池结构挤压分析及优化

2020-09-04耿动梁燕唐卜晓兵战楠高丰岭

汽车零部件 2020年8期

耿动梁，燕唐，卜晓兵，战楠，高丰岭

(中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

在汽车开发设计中，节能减排越来越重要。作为汽车零部件之一的前舱电池包结构，也需要进行一定的轻量化来满足整车轻量化的开发要求。但是，电池包结构在减重的同时必须保证具备足够的刚度和强度，否则当车辆遇到一些碰撞事故，前舱电池包受到一定挤压的时候，容易发生漏液、短路甚至发生自燃的危险。这种潜在的风险使车辆前舱电池结构设计遇到一定的挑战。借助有限元的分析手段，在电池包结构设计过程中反复校核结构受到挤压时的刚度和强度，最终通过不断的优化结构形式，实现最初的设计目标。

1 模型描述

1.1 电池包几何模型特征

由于车辆前舱部位，给定的空间已经确定，在有限的空间内，预留给电池包结构的形状变化形式较少。在此，所采用的是一种常见的长方体结构形式，组成电池包结构的材料为铝合金板材，对板材进行拼装焊接组成整个长方体的电池包结构(见图1)。在结构内部放置电芯以及部分控制电路，最后在外层进行喷塑密封，从而保证整个结构的支撑性和良好的密封性(见图2)。采用铝合金板材拼装焊接，可以在一定程度上控制成本。

图1 电池包外观结构

图2 电池包外内部框架

1.2 工况介绍

分析工况模拟挤压试验的4个工况，整个试验过程为缓慢加载，如图3所示。4个工况的具体内容见表1。

图3 挤压4个工况加载方式

表1 加载工况参数描述

基于该电池结构特点以及内部电芯布置方案，设定结构在挤压过程的变形目标为：工况一、工况二和工况三分析结果中，结构变形量不得超过2 mm：工况四分析结果中，结构von Mises应力[2]值不超过材料的极限强度应力值(465 MPa)。

由于该计算涉及到材料塑性变形后的非线性阶段，所以需要得到材料塑性段的应力应变曲线。根据材料的测试试验数据，忽略颈缩等因素影响，计算拟合出该铝合金材料塑性段以后的应力应变曲线，如图4所示。

图4 铝合金材料塑性段应力-应变曲线

2 仿真模型搭建和计算

2.1 建立有限元模型

2.1.1 三维几何模型简化

为了保证足够的仿真计算精度，对模型进行适当的简化(见图5)，不影响整体计算效果的情况下，去除部分容易产生质量较差网格的小特征，为后续划分高质量的网格做好准备。

图5 简化后几何模型

2.1.2 网格划分

由于模型规模不大，板材结构的内部特征较复杂，所以适合用三维实体单元来划分该结构。结构选择二阶实体单元solid186单元[1]，网格尺寸平均值保持在2 mm左右，在此基础上能够保证具备较高的整体单元质量[3]，如图6所示。

图6 模型结构有限元网格

实际试验过程中，压头为钢制实心压头，它的刚度比电池包结构的刚度大很多，在建立有限元模型过程中，将压头设置为刚体。

2.2 计算结果

2.2.1 结构变形结果

通过图7—图9可知，工况一和工况二结构最大变形分别为1.52 mm和1.76 mm，这两个工况下结构变形在2 mm以内，符合设计要求。但是工况三中，结构变形超过2 mm，不满足设计要求。

图7 工况一结构变形结果

图8 工况二结构变形结果

2.2.2 结构应力结果

图10为工况四的应力计算结果，由图可知，结构最大应力出现在结构底部受挤压的棱边位置，应力值为462.75 MPa，未超过材料的极限应力。

图10 工况四结构应力结果

3 优化方案

3.1 结构优化

3.1.1 结构中间加强

根据该电池包内部电芯堆放的方式，改变结构板材布局形式。在不增加整体质量的前提下，增加部分薄板的厚度，同时去掉一块型材结构，将其中一块沿着X方向调整至结构的中间。由于电芯为片状结构，摆放方向沿着X向放置，Y向为电芯层层堆叠的方向。根据电芯的特性，在堆叠方向上有一定的承载能力，而沿着片状电芯方向承载能力较小，受压变形时很容易发生破坏。因此，沿着X方向在中间增加一块板材作为中部支撑结构，对该方向承载能力进行加强，优化后的三维结构模型如图11所示。