作者：孫清雨 吳秀杰 韓璐 袁仁煉 張翼 陶弦 徐剛 趙子博 王浩 單位：上汽紅巖汽車有限公司

摘  要：

針對(duì)某車型電瓶箱箱體疲勞臺(tái)架試驗(yàn)開裂問題，運(yùn)用有限元分析軟件Hyperworks對(duì)電瓶箱箱體進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。仿真結(jié)果表明，電瓶箱箱體在Z向加載1G加速度激勵(lì)作用下，箱體前端與儲(chǔ)氣筒支架連接位置處存在較大應(yīng)力，并在疲勞臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)了相同位置的開裂故障。根據(jù)有限元分析結(jié)果，提出了優(yōu)化改進(jìn)方案，并且優(yōu)化后的方案在臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)中未再次發(fā)生開裂，滿足了車型使用要求。

0  序  言

電瓶箱箱體在商用車底盤系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，需要任何時(shí)候都起到承載蓄電池和儲(chǔ)氣筒的作用，箱體本身應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度和剛度。商用車在正常行駛過程中，如果電瓶箱箱體發(fā)生失效損壞，將會(huì)導(dǎo)致整車電力系統(tǒng)故障及制動(dòng)系統(tǒng)故障，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)影響行車安全[1]。因此，電瓶箱箱體對(duì)蓄電池及儲(chǔ)氣筒的安全工作和承載防護(hù)起著至關(guān)重要的作用。

有限元仿真分析計(jì)算能夠提供零部件的應(yīng)力分布，在設(shè)計(jì)階段確定零部件的結(jié)構(gòu)薄弱位置。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)初期避免不合理的應(yīng)力分析[2]。同時(shí)與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比，它可以減少試驗(yàn)樣件的數(shù)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，進(jìn)而降低開發(fā)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3][4]。因此，本文針對(duì)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)中某電瓶箱箱體開裂問題，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)電瓶箱箱體進(jìn)行了頻率響應(yīng)分析，找出了開裂原因，并提出了優(yōu)化改進(jìn)方案。

1  電瓶箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電瓶箱系統(tǒng)總成在重型商用車上的布置與乘用車有較大不同，乘用車上蓄電池的布置一般在發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱梁上[5]，而商用車上的電瓶箱系統(tǒng)總成為了滿足整車底盤的空間設(shè)計(jì)布置，大多選擇布置在車架縱梁一側(cè)。常見的結(jié)構(gòu)形式為臥式與立式。一般為了保證整車離地高度，臥式電瓶箱結(jié)構(gòu)成為了大多數(shù)主機(jī)廠主要選擇的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式的電瓶箱系統(tǒng)一般選擇布置在油箱附近，如圖1所示。此結(jié)構(gòu)形式的電瓶箱系統(tǒng)中蓄電池采用并排布置，電瓶箱箱體底板面積較大，因此對(duì)箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較高要求。

電瓶箱系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其結(jié)構(gòu)總成一般由電瓶箱箱蓋、蓄電池、電瓶箱箱體、電瓶箱箱體支架、夾緊支架、緊固拉桿、儲(chǔ)氣筒及儲(chǔ)氣筒支架等組成。電瓶箱系統(tǒng)中通過夾緊支架、緊固拉桿一起將蓄電池固定在電瓶箱箱體底板上，以保證蓄電池在車輛行駛過程當(dāng)中，在前后、左右、上下各個(gè)方向上均不會(huì)發(fā)生竄動(dòng)，避免蓄電池對(duì)電瓶箱箱體側(cè)壁和箱蓋造成沖擊，影響電瓶箱箱體使用壽命[6]。儲(chǔ)氣筒與儲(chǔ)氣筒支架通過箍帶相互連接，并采用螺栓固定的方式安裝在電瓶箱箱體的底部，電瓶箱箱體支架通過螺栓將電瓶箱系統(tǒng)與車架縱梁進(jìn)行固連。

2  電瓶箱系統(tǒng)總成有限元模型建立

2.1 電瓶箱系統(tǒng)總成網(wǎng)格劃分

在有限元處理中，結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分對(duì)有限元分析結(jié)果影響很大，一個(gè)模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量越多，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度就越高，但是網(wǎng)格數(shù)量過多將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算求解的數(shù)量增加，任務(wù)量加大，因此，在結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格時(shí)，要選擇合適的網(wǎng)格類型及尺寸，使分析的結(jié)果和精度更加合理[7]。

本文采用Altair公司的前處理HyperMesh軟件對(duì)電瓶箱結(jié)構(gòu)總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，蓄電池箱體及箱體支架等鈑金件結(jié)構(gòu)采用四邊形進(jìn)行處理，網(wǎng)格單元尺寸為5mm；在結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域，由于無法采用四邊形網(wǎng)格，因此，采用少量的三角形單元網(wǎng)格來保證整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格質(zhì)量；同時(shí)為保證運(yùn)算精度，在結(jié)構(gòu)圓角過渡區(qū)域須將網(wǎng)格層數(shù)控制在三層；對(duì)于結(jié)構(gòu)中采用螺栓連接的位置采用washer處理，如圖3所示。由于蓄電池結(jié)構(gòu)為非考核對(duì)象，故對(duì)其進(jìn)行簡化處理，并處理為四面體單元(TETRA4)，網(wǎng)格單元尺寸為2mm-6mm；最終完成電瓶箱系統(tǒng)總成有限元模型如圖4所示。

2.2 材料參數(shù)屬性

通過材料屬性卡片及設(shè)計(jì)部門提供的相關(guān)材料參數(shù)，將系統(tǒng)中確定各個(gè)部件的材料參數(shù)屬性，主要材料參數(shù)見表1所示。

2.3 邊界條件

由于電瓶箱在實(shí)際使用過程中主要失效形式為振動(dòng)導(dǎo)致的開裂，本文有限元分析是對(duì)電瓶箱系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)的分析，考察其在一定激勵(lì)作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼比取值為0.05。約束電瓶箱系統(tǒng)與相連車架兩端所有自由度，并在其節(jié)點(diǎn)處施加沿X、Y、Z方向上1G的單位加速度激勵(lì)。 

3  電瓶箱系統(tǒng)總成臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)及有限元分析

3.1 電瓶箱系統(tǒng)總成頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)分析(Frequency Response Analysis)，通常指計(jì)算系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。本文分析中設(shè)置的頻率范圍為5Hz-35Hz，通過RADIOSS求解器來計(jì)算電瓶箱箱體總成在5Hz-35Hz頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文主要考察Z方向上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果。通過后處理HyperView軟件查看分析計(jì)算結(jié)果，電瓶箱箱體在Z方向上的應(yīng)力響應(yīng)，如圖5所示。從電瓶箱箱體頻率響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，箱體在Z向1G單位加速度激勵(lì)作用下，共振頻率為31.75Hz，其最大應(yīng)力值為277.35Mpa；已然超過了電瓶箱箱體材料的屈服強(qiáng)度195Mpa。該仿真結(jié)果表明：箱體在使用過程中極容易因外界的激勵(lì)而發(fā)生失效損壞，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在箱體底板外側(cè)與儲(chǔ)氣筒支架連接位置處。

3.2 電瓶箱系統(tǒng)總成臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)

采用一段改制車架安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，將電瓶箱系統(tǒng)總成安裝在車架上，根據(jù)試驗(yàn)要求，采用頻譜為0.5~50Hz的隨機(jī)頻率對(duì)試驗(yàn)臺(tái)面進(jìn)行垂向加載。試驗(yàn)過程中檢查發(fā)現(xiàn)，在電瓶箱箱體底板外側(cè)與儲(chǔ)氣筒支架連接位置處出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，如圖6所示，且這與有限元分析結(jié)果中箱體開裂位置一致，表明建立的有限元模型是準(zhǔn)確可信的。

4  方案改進(jìn)

4.1 改進(jìn)方案說明

通過電瓶箱箱體的頻率響應(yīng)分析及臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，可知箱體底板開裂失效的主要原因在于儲(chǔ)氣筒采用縱向布置，整體質(zhì)心偏向車架外側(cè)，穩(wěn)定性較差，且儲(chǔ)氣筒支架為兩孔安裝固定，孔距50mm，如圖7(a)所示，造成儲(chǔ)氣筒支架與箱體底板連接位置處接觸面積較小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為減小電瓶箱箱體底板與儲(chǔ)氣筒支架連接位置處的應(yīng)力，需增加其接觸面積。設(shè)計(jì)人員在保證研發(fā)成本及工藝前提下，提出優(yōu)化儲(chǔ)氣筒支架結(jié)構(gòu)方案，將原先兩孔固定連接更改為三孔固定連接，且三孔不在同一方向上，如圖7(b)所示。

4.2 優(yōu)化方案結(jié)果分析

對(duì)新方案的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)在箱體底板與儲(chǔ)氣筒支架連接位置處的應(yīng)力值有了明顯的改善，新方案的電瓶箱系統(tǒng)總成在Z方向上的應(yīng)力響應(yīng)如圖8所示，從電瓶箱箱體頻率響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，箱體在Z向1G單位加速度激勵(lì)作用下，共振頻率為35.69Hz，其最大應(yīng)力值為155.52Mpa，小于箱體材料屈服強(qiáng)度195Mpa，滿足強(qiáng)度要求，其對(duì)比結(jié)果如表2所示。

將新方案在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，箱體并未出現(xiàn)開裂失效，表明改進(jìn)效果良好。

5  結(jié)  論

利用Altair公司的HyperWorks分析軟件對(duì)電瓶箱系統(tǒng)總成進(jìn)行了頻率響應(yīng)分析，并結(jié)合了臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，找出了開裂原因。提出了優(yōu)化改進(jìn)方案，并對(duì)新方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行了頻率響應(yīng)分析及臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的新方案符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。該有限元分析方法對(duì)今后分析同類懸臂結(jié)構(gòu)樣件具有指導(dǎo)作用和參考意義。

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（原載《西南汽車信息》2022年第12期）