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2025-05-21
1 电池箱静力分析和模态分析
1.1 动力电池箱体建模
该电池箱由箱体、箱盖、吊耳、底部支架、内部支架、电器支架、压条支架、压条及附属电气系统组成。通过CATIA创建箱体结构,运用Hypermesh分析静态特性。箱盖、内部支架、压条支架厚度为1.5 mm,箱体、底部支架、电器支架、压条厚度为2 mm,吊耳厚度3 mm。原箱体材料均采用Q235钢,其密度为7.85 g/cm3,泊松比为0.3,弹性模量为210 GPa,屈服强度为235 MPa。
忽略电气系统,对模型进行抽中面处理,使用2D壳单元建立模型网格,箱体、箱盖网格尺寸为10 mm,其余部件网格尺寸为5 mm。电池箱各部件之间采用ACM单元模拟焊点,箱体和箱盖、吊耳和外部支架采用螺栓连接,压条支架通过螺栓与内部支架连接在一起,底部支架、内部支架和电器支架焊接在下箱体上,模型共74 630个单元和74 327个节点,其中主要单元类型为四边形网格,三角形网格519个,占单元总数的0.70%,低于推荐标准5%。电池箱整体质量46.6 kg,电池模组及电气设备采用mass单元进行配重,满载质量241.1 kg,所建立的电池箱有限元模型如图1所示。
图1 电池箱有限元模型
1.2 静力分析
电池箱的静态分析选择紧急制动、急转弯、垂向颠簸3个极限工况加载惯性力载荷,载荷大小与方向如表1所示。
表1 各工况惯性力大小和方向g
电池箱通过外部支架的8个螺栓孔与车身连接,在各工况分析中约束螺栓孔的6个自由度,对电池箱整体施加惯性力。
3种工况的位移与应力值如表2所示。对比3种工况可知,垂向颠簸最为危险,电池箱最大位移和最大应力较另2种极限工况更大。因此,在后续优化分析时仅考虑该静力工况的影响。其位移与应力云图如图2所示,最大位移集中在上盖板中央,最大应力集中在各螺栓孔处。
表2 各工况下最大位移与应力
图2 垂向颠簸工况位移与应力云图
1.3 模态分析
采用约束模态获得电池箱低阶模态频率,计算得一阶频率为16.866 Hz。
电动汽车在各种路面上行驶时,由车轮引起的激振频率一般在1~28 Hz,当车速低于100 km/h时,激振频率一般低于28 Hz。为了避免电池箱在汽车行驶过程中共振,改善电池箱整体的动态性能,应将一阶频率控制在28 Hz以上[10]。
2 电池箱轻质材料的选择及匹配
2.1 TOPSIS法
TOPSIS法,全称为Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,中文常翻译为优劣解距离法,该方法能够根据现有的数据,评价方案与最优(劣)解之间的距离对个体进行评价排序,如果该方案接近最优解而远离最劣解,则该方案排序靠前即为较优,反之则为较劣[11]。
增加距离权重确定各组因素对于所求结果的重要性,这里通常有层次分析法、熵权法和CRITIC权重法3种权重计算方法。其中,层次分析法需要专业人士判断矩阵数据,有很强的主观性;熵权法则是利用数据的信息差异,判断因素蕴含的信息量,相对而言更加客观,但在一些罕见的无法客观赋予权重的影响因素上就需要避免使用这一方法;CRITIC权重法在计算权值时,不仅考虑到了变异对于指标的影响,还考虑了指标之间的关联性,更加全面[12]。
2.2 确定备选材料
从电池箱常用材料中选取9种备选金属材料[13],如表3所示。
表3 选材性能参数
续表(表3)
对各项决策指标进行标准化处理,计算得熵权系数分别为0.370、0.179、0.129、0.138、0.184。代入标准化矩阵得到带权重的标准化矩阵。
计算各方案到优劣解的距离,得到相对贴合度Si。Si越大,方案越优。
从表4可得,Al6061-T6、AZ91D这2种材料相对钢材在综合性能上有较大优势。后续选择这2种材料作为轻量化替换材料,结合原有Q235材料,使其发挥各自优势,满足各部件对性能的需求,材料性能参数如表5所示。
表4 优劣解集和评价指标
表5 备选材料性能参数
2.3 电池箱轻质材料选择
2.3.1 试验设计
为各部件选用合适的材料,采用正交试验法进行试验。将电池箱6个主要部件作为分析因素,基于表5中3种材料,得到试验设计方案L18(36)。针对箱体结构的静动态特性,选用箱体质量、垂向颠簸工况下最大位移、最大应力以及一阶频率为评价指标,正交试验结果如表6所示。
表6 正交试验结果
2.3.2 正交试验结果分析
采用极差分析的方式分析各因子在不同水平下的结果,得到如图3所示的极差分析图。
图3 极差分析图
从极差分析图...