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某电动轻卡电池包支架的轻量化设计与结构强度分析
摘 要： 针对某电动轻卡的电池包支架,采用铝合金型材进行结构设计,满足轻卡车身轻量化的要求,并通过有限元分析软件Hypermesh 对其结构强度进行分析验证.
关键词：轻量化；铝合金；有限元分析；Hypermesh
1 引言
车身轻量化是未来汽车发展的一大趋势,实现车身的轻量化一般有两个途径：一是通过改变车身结构的材料；二是通过结构优化,在保证车身承载能力和可靠性的前提下,减少车身质量.
2 车身轻量化概述
2.1 车身轻量化的意义
对于燃油汽车,车身轻量化是改善燃油经济性、减少污染物和碳排放的重要措施.与燃油汽车相比,电动汽车的轻量化追求更迫切.因为电动汽车的驱动电池包通常占整车总质量的30%～40%,这就决定了电动汽车不能像燃油汽车那样靠一次补充能量来实现长距离的行驶.目前,局限电动汽车发展最重要的一个问题就是续航里程,实现电动汽车的轻量化对提高汽车的续航里程有重要意义.
2.2 车身轻量化的材料选择
电动汽车车身轻量化的重点是新材料的应用,结构设计优化以及相应的工艺制造技术.目前,高强度、低密度的轻质车身材料很多,其中铝合金车身材料是一个比较好的选择.
铝的密度小,大约为钢的1/3,铝合金的车身结构与同体积的钢铁结构相比,质量可减轻30%~40%左右,这意味着车身有更好的动力性.此外,铝合金材料的结构大部分可回收再利用,合乎环保要求.
3 铝合金电池包支架模型结构模型中的电动轻卡载重7吨左右,其驱动电池由4块质量为250kg左右的电池包组成,电池总质量约1吨.电池包支架采用铝合金结构焊接而成,用到的铝合金型号为5052,具体型材见表1,部分零件采用厚度为4mm和5mm的铝板.
电池包支架为两层装结构,每层并列装两个电池包.电池包后端用限位块固定,前端用螺栓固定.装配好的电池包支架模型如图1所示.
4 电池包支架强度分析4.1 分析模型参数
将图1 所示的三维模型直接导入
Hypermesh中进行分析前的几何清理及网格划分.该电池包支架的全局坐标,Z正向是车辆前方向,Y向为重力方向.各结构件焊接在一起采取RB2方式来模拟.建立的电池包支架整体有限元模型如图2所示.
4.2 材料属性、边界条件及载荷工况
4.2.1 材料属性
网格划分完成后,将模型添加材料属性,相关属性见表2所示.
4.2.2 边界条件
电池包支架通过U型螺栓连接在车架上,将电池包支架与车架连接处的自由度设置为,约束X、Y、Z三个方向的平动自由度.
4.2.3 载荷工况模拟电动轻卡行驶过程中的弯曲和制动两个工况进行分析,行驶过程中,电池包支架只承受电池包的重量.每个电池包的质量取250kg,在模型中,将载荷分别施加在4个电池包的重心处.施加的载荷情况见表3所示（g为重力加速度）.制动工况中,Z向行驶过程中的制动减速度假定取重力加速度值（实际工况中达不到）.
4.3 电池包支架分析结果
模型的前处理完成后,通过Hypermesh的OptiStruct数据接口进行计算,将结果导入HyperView中,得到两种工况下的位移和应力云图,弯曲工况的位移、应力云图见图3和图4 所示,制动工况的位移和应力云图见图5和图6所示.
大mises应力为160.8MPa,均小于材料的屈服强度195MPa,该工况下支架满足强度要求.从图4和图6可以看出,电池包支架弯曲工况的最大位移为3.,制动工况的最大位移为11.97mm.制动工况中,支架上端位移偏大,可采取增加中间加强撑数量的措施.
分析结果满足设计要求,预估可应用在实际车型中,为电池包支架的结构设计提供参考.
电池论文范文结:
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