基于ABAQUS的电池包支撑架的优化分析

祝方方，于 伟，王 东，张万良

(潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000)

1 引言

响应国家使用清洁能源的号召，新能源电动汽车逐渐进入千家万户，动力电池作为电动汽车能量储存的载体，是电动汽车的关键部件[1]。电池包支撑架是连接电池包到车身的关键零部件，也会承受车身的振动、冲击，电池包支撑架作为电池包的保护伞，其结构的强度对电池包和整车的安全性至关重要，因此电池包支撑架也要满足振动冲击等动态性能的要求。

CAE仿真分析相与传统设计方法相比，可以缩短设计周期降低试验成本和开发模具的成本，现已在结构件的动静态特性分析和优化设计中大规模使用[2]。Simlab是具有流程导向的、基于特征识别的有限元建模软件，可以高效、高质量的划分网格，无需枯燥的几何清理和去除几何错误，减少人为错误和用于创建有限元模型的时间消耗[3]。

为了校核某新能源汽车电池包支撑架结构的可靠性，利用ABAQUS有限元软件，对电池包支撑架进行模态、随机振动和车辆行驶工况的仿真分析，得到仿真结果，并针对得到的仿真结果对电池包支撑架结构进行优化。采用Simlab对电池包支撑架模型进行前处理工作，然后基于ABAQUS软件求解以及后处理，对电池包支撑架进行模态分析和随机振动分析，验证电池包支撑架的可靠性。

2 创建模型与工况

2.1 创建有限元模型

图1中所示为某项目电池包支撑架三维结构。该电池包支撑架X方向长度为1 550 mm，Y方向长度为1 820 mm，Z方向长度为1 200 mm，具体如图1(a)所示。电池包支撑架的材料为Q235钢材，电池包箱体材料为6061铝合金；表1所示为材料参数。电池包支撑架钢材的厚度为4 mm，四周有支撑腿对电池包支撑架加固，支撑架通过底面12个螺栓连接固定到车身上如图1(a)所示；八个电池包排列在支撑架上，每个电池包通过六个螺栓固定在电池包支撑架上。

完成设计后，利用Simlab软件对该模型进行网格划分，模型中的单元类型为C3D10M，主体网格单元平均尺寸为6 mm，曲面部分单元尺寸为2～3 mm螺栓处进行Washer处理。模组以质量点的形式施加在电池包内，每个电池包内模组的质量为210 kg，电池包箱体以实体的形式放置在支撑架上，用RBE2单元来模拟电池包在支撑架的螺栓连接方式，定义材料和材料属性。各个材料属性如表1所示。创建好的电池包支撑架的有限元模型如图1(b)所示。

图1 (a)(b)分别为优化前电池包支撑架三维结构图和有限元模型；(c)(d)分别为优化后电池包支撑架三维结构和有限元模型Fig.1 (a) and (b) are respectively the 3D structure diagram and finite element model diagram of the battery pack support frame before optimization; (c) and (d) are respectively the 3D structure diagram and finite element model diagram of the optimized battery pack support frame.

表1 电池包支撑架和电池包箱体材料参数Table 1 Battery pack support frame and battery pack box material parameters.

2.2 创建工况

模态工况：采用Lanczos方法，频率范围取0～200 Hz，根据经验模态阻尼取0.02。模态分析可得到机械结构的固有频率和振型，是分析其他动力学问题的起点，其主要目的是防止共振以及因振动产生的危险[4]。

随机振动工况：创建随机振动分析工况，振动测试在三个方向上进行，按照在整车上的安装方式安装，整车前进方向为X方向，竖直方向为Z方向，根据右手定则确定Y向。依据国标GB 38031-2020要求创建X、Y、Z三个方向上对应的测试参数功率谱密度(power spectral density,PSD)值。

制动、转弯和减速带工况：车辆在行驶过程中因启动、刹车、转弯和过减速带时在车辆行驶方向产生(即X向)、侧向(即Y向)和竖向(即Z向)产生的冲击状况。这些工况为动态的工况，因为显示动态的算法计算时间较长，因此采用静态的计算方法，选取这些工况中产生的最大冲击以静载的形式施加，可以缩短计算时间，提高计算效率。给电池包支撑架X、Y、Z三个方向分别施加的1.5 g、1.5 g、1.2 g的静载荷，来模拟电池包支撑架在车辆制动、转弯和过减速带时所受到的冲击，观察支撑架所受应力情况判断支撑架结构的强度制。

3 有限元仿真结果分析

3.1 模态分析

从工程的角度来看零部件的一阶模态较为重要，因为一阶模态可以展现出零部件的扭曲或弯曲的固有频率[5]。汽车在道路行驶过程中振动的主要频率段为1～33 Hz，为防止产生共振，这就要求电池包支撑架的一阶模态高于33 Hz。如果一阶模态在主要的激励频率内，车辆在行驶过程中极易产生共振，使结构发生异响，影响车辆的乘坐舒适性，严重时还会引起零部件断裂失效[6]，威胁人们的人身和财产安全。

运用ABAQUS有限元仿真软件对电池包支撑架(支撑架1)进行约束模态分析计算，得到约束模态，前三阶模态振型如图2所示。通过对电池包支撑架的约束模态分析可知，支撑架1的一阶模态为18.516 Hz，在汽车共振频率范围内，明显不符合刚度上的要求，因此需要对结构进行改进，提高电池包支撑架的刚度。由一到三阶模态可知，支撑架主要在支架上部扭曲旋转，因此可以通过加上部固定点提高支撑架的刚度。

(a)(b)和(c)分别为电池包支撑架一阶模态、二阶模态和三阶模态Fig.2 (a),(b) and (c) are the first-order mode,second-order mode and third-order mode of battery pack support frame respectively.

4 结构优化及分析

4.1 结构优化

在不增加支撑架重量的要求下，通过改变支撑架的固定方式，增加电池包支撑架的刚度，去掉冗长的支撑臂，将与车身固定的支撑架内移，支撑架顶部的Y方向上增加四个固定点，具体位置见图1(c)。优化之后该电池包支撑架X方向长度为1 250 mm，Y方向长度为1 520 mm，Z方向长度为1 200 mm，相应的创建好的电池包支撑架的有限元模型如图1(d)所示。

4.2 结构稳定性分析

优化电池包支撑架结构和固定点后，运用ABAQUS有限元仿真软件对电池包支撑架(支撑架2)进行约束模态分析计算，得到约束模态，第一阶到第三阶模态振型见图3。与支撑架1进行对比，对比参数见表2，支撑架2的一阶提升至40.35 Hz，成功避开了汽车共振频率范围，同时支架摆动幅度也明显减小，提高了整车的舒适性电池包支撑架的刚度，使支撑架的模态满足要求。

表2 优化前后支撑架模态参数对比Table 2 Comparison of modal parameters before and after optimization.

随机振动分析结果如图4所示，从分析结果的应力云图上可知，支架2在X方向、Y方向和Z方向随机振动的最大RMises应力分别为71.6 MPa、51.4 MPa和61.2 MPa，以3倍的RMises应力对比材料的屈服强度作为评判标准，分别为214.8 MPa、154.2 MPa和183.6 MPa，低于Q235的屈服强235 MPa。支架2在X、Y、Z三个方向上受到的应力未超过Q235的屈服强，满足强度条件，有效避免因共振产生疲劳破坏风险。

图3 (a)(b)和(c)分别为优化后电池包支撑架一阶、二阶和三阶模态Fig.3 (a),(b) and (c) are the first-order,second-order and third-order modes of the optimized battery pack support frame respectively.

制动、转弯和减速带工况的仿真结果如图5所示，由应力云图可知车辆制动、转弯和过减速带工况时支撑架2所受最大应力为77.5 MPa、54.4 MPa和76.2 MPa，支架2在制动、转弯和减速带工况下受到的应力均小于材料屈服极限，满足行驶工况下强度的要求。

5 结论

利用有限元法对某电池包支撑架的模态、随机振动和车辆行驶工况的仿真分析。结果显示，原电池包支撑架一阶模态不满足设计要求；因此通过改变与整车连接的位置增加整体的强度，去除四周支撑腿，电池包支撑架简洁美观度得到提升。优化后的电池包支撑架一阶模态得到显著改善，随机振动分析和车辆行驶工况的强度仿真验证了优化电池包支撑架结构的稳定性，满足了电池包支撑架结构强度要求，提高了电池包支撑架的可靠性，具有重要意义。