研究新能源汽车电池布局，对微型电动汽车车架力学性能的影响分析

文/勇哥

引言

随着工业、科技的飞速发展，全球暴露出日益严重的环境污染、能源短缺问题，传统汽车工业开始转型，在轻微型、零排放方向取得了重大进步。因此，微型电动汽车受到众多国家及汽车厂商的青睐。

作为承受电动汽车全部载荷的车架，对其强度、刚度指标必须有很高的要求，才能满足载荷的冲击，经分析计算，动锂电池载荷约占整车载荷的30%，因此讨论电池布局是研究电动汽车车架力学性能的关键。

针对电动汽车车架的结构及受力特点，基于ANSYS有限元分析软件，建立满足各总成布置和实际行驶要求的车架有限元模型，应用灵敏度分析选取多种电池布局，对比分析典型工况下车架变形、应力分布和预应力模态下车架固有频率振型，获得了电池布局最佳方案，同时验证了车架结构的可行性。

车架有限元模型建立

将微型电动汽车的车架Creo2.0三维CAD模型导入有限元分析软件ANSYS中，并设置Q235材料参数，建立车架的有限元模型。

1.模拟加载和支撑情况

根据静力等效原则，将电池、乘客、支架和顶棚等各部件的重量分别转化为等效载荷施加于车架的相应受力位置上。车架自身的重量通过施加相应的重力加速度和材料密度处理。

车架所受载荷位置，如图1所示。车架所受载荷具体参数，如表1所示。微型电动汽车在施加所有载荷的情况下，绝大部分时间在较好的地面行驶，故选择满载弯曲工况作为最典型的工况对其进行有限元分析，即限制车架与弹簧、板簧连点的全部自由度。

2.网格数目无关性分析

网格是有限元模型的几何表达式，网格的质量很大程度上影响着数值模拟的计算准确性。首先根据车架的总体尺寸、网格单元密集程度，整体划分所有截面。

再运用局部网格划分控制、虚拟拓补等对网格质量较差的局部网格进行了网格修补，直到网格检查合格为止。

首先根据车架的承载情况，分析不同的网格数目对变形、等效应力等的影响程度，对网格数目进行无关性分析。网格数目与最大变形、最大等效应力关系，如表2所示。最大变形、最大等效应力随网格数目变化趋势，如图2所示。

从表2可以看出，生成的网格数目达到474770以后，变形值、等效应力值基本保持不变，从图2中可以直观地看出这一趋势。

从图2可以看出，当网格数目从64666增加到287244时，最大变形与最大等效应力增加趋势非常大；此后，最大变形与最大等效应力一直增大，但增势缓慢。

当网格数目达到474770以后，即使网格数目继续增加，最大变形与最大等效应力变化也不大，曲线平缓，说明对于该计算模型，网格数目达到474770以后，满足了网格无关性的要求。为了提高计算结果的稳定性，选取网格单元数为852374，节点数为1652700的有限元模型进行分析。

电池载荷优化分析

1.优化参数的选择

对车架电池载荷优化分析时，选定车架位置5、位置6、位置7、位置8的电池载荷作为车架电池布局的设计变量，将车架的最大变形、最大等效应力作为目标变量。在DesignModeler模块中设置设计变量和目标变量及与之相关参数，优化参数，如表3所示。

2.优化参数灵敏度分析

灵敏度分析是一种度量某设计变量对结构特性的改变敏感程度的方法。采用灵敏度分析来衡量参数的变动对结构力学性能的影响程度，找到对结构力学性能影响较大的参数，将此参数作为后续结构优化的对象，因此灵敏度分析是优化设计的重要一环。

灵敏度分析结果，如图3所示。从图3可以看出，位置6、位置7载荷对车架最大变形、最大等效应力的影响敏感程度更高，该影响是负的。位置5载荷影响甚小，该影响是正的。位置8载荷具有适中的影响，该影响是正的。故暂选取位置6、位置7载荷进行后续分析。

3.优化参数响应面分析

对于优化参数响应面来说，就是通过选取一定数量和规律的载荷，进行有限元分析，根据分析变形、应力的结果拟合一个响应面来替代未知的不同位置载荷与车架变形、应力的响应关系。位置6、位置7载荷与最大变形、最大等效应力响应面，如图4所示。

从图4可以看出，位置6、位置7载荷与最大变形、最大等效应力呈线性正比关系，应尽量避免该位置布置电池，故应考虑位置5、位置8载荷对最大变形、最大等效应力的影响。位置5、位置8载荷与最大变形、最大等效应力响应面，如图5所示。

从图5可以看出，随着位置5、位置8载荷不断增大，最大变形、最大等效应力逐渐减小，位置8载荷对其影响显著。故应考虑将电池布置在位置5、位置8。具体三种方案的电池布置情况，如图6所示。根据实验对照原则，选取方案1为对照方案，方案2、3为优选方案。

车架静态分析

车架静态分析可以对结构进行变形、应力分布检查，以找出设计的缺陷和薄弱环节，提高设计质量及结构的可靠性。车架变形和等效应力分布云图，如图7、图8所示。

从图7、图8可看出，电池布局方案2、3中，车架最大位移变形均位于中部两根纵梁中间位置，分别为2.0836mm、2.0932mm；车架最大等效应力均位于中部两根纵梁和后部横梁连接位置，分别为112.33MPa、107.64MPa。

电池布局方案1中，车架最大位移变形值为3.2948mm，位于第一排座位下中部两根纵梁处；车架最大等效应力值为147.5MPa，位于两侧两根纵梁和后部横梁连接位置；且在前部纵梁和前部竖梁连接位置出现较大应力。

综上所述，确定方案2为电池布局最佳方案。可以看出，电池布局不同，车架位移变形和等效应力的位置不同且应力和变形值相差很大；可以推测，不合理的电池布局使车架产生的应力甚至会超过材料的屈服极限，破坏结构，表明电池布局对车架结构力学性能影响较大。

车架预应力模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，故不需要考虑载荷，只需分析电池布局其中一种方案的影响。

根据模态分析理论，结构发生振动时，低阶振动对结构的动态特性影响最大。故在模态分析中只选取前10阶模态振型进行分析。前10阶频率及振型，如表4所示。前3阶振型结果，如图9所示。

从图9可以看出，车架的第1阶固有频率为35.042Hz，远远超出了路面的激励频率范围，能够避免电动汽车在行驶时车架与干扰因素激励频率发生共振。

结论

（1）应用Creo2.0和ANSYS软件建立了微型电动汽车车架实体模型和有限元模型，对网格数目的无关性进行了分析，选取了网格单元数为852374，节点数为1652700，确保了可靠、稳定的网格质量。
（2）对电池载荷进行了优化分析，获得了电池载荷灵敏性规律和最大变形、最大等效应力响应等，确定了方案1为对照方案，方案2、3为优选方案。
（3）对微型电动汽车车架进行了静力学分析，获得了车架结构的变形、等效应力等分布规律，确定了方案2为电池布局最佳方案。
（4）对微型电动汽车进行预应力模态分析，获得了各阶频率及振型，验证了车架结构振动特性的可行性。