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电池包箱体挤压铝型材截面形状优化

2020/1/14    来源:Altair论文集    作者:冯富春  李彦良  盛军  贾宏涛  阎永恒      
关键字:电池包  挤压仿真  安全性  
电池箱是动力电池系统的核心部件,是保证动力电池及其内部器件安全的屏障。本文对铝合金箱体的型材截面进行仿真优化,在型材重量基本不变的情况下,提高了电池包的抗挤压能力,可为电池包的安全设计提供重要参考。

1 引言

    随着能源的紧缺及环境污染问题的日益加剧,新能源汽车成为当今汽车领域研究的热点,安全、节能和环保已成为当前汽车工业发展的三大趋势。和其他交通工具一样,电动汽车必须综合考虑各部件的安全性及使用寿命等方面的要求。电池箱作为电池系统的重要部件,是保证系统安全的重要屏障。GBT 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第三部分:安全性要求与测试方法中给出了电池系统安全性测试的具体方法。据反馈电池包挤压测试经常会出现箱体失稳或严重变形导致的电池模组短路现象,从而引起电池包爆炸起火,是安全性测试中通过率较低的项目。而目前新能源汽车对电池包能量密度的要求越来越高,电池包轻量化势在必行。随着计算机技术和数值计算方法的快速发展,基于有限元理论的CAE分析技术在动力电池系统安全领域得到了广泛应用,如电池包在极限工况下的静力学分析、模态分析、振动冲击分析、疲劳耐久分析、挤压碰撞分析等。

    本文针对某纯电动汽车电池箱体型材侧壁进行仿真分析优化,并对型材进行挤压仿真分析,对比分析了型材截面优化前后挤压反作用力及变形情况,论证了该优化方案的可行性,可为电池系统的安全设计提供有益参考。

2 电池箱型材几何模型

    电池箱体采用铝合金挤压型材拼焊成型,为了提高仿真效率,本文只针对箱体侧壁的某段型材进行优化,原方案型材模型见图1所示。

原方案型材模型

图1 原方案型材模型

3 材料参数

    该型材采用6061-T6铝合金,硬度HB90以上。为了得到准确的模拟结果,需要测定所用材料的力学参数。首先将所用材料制成标准拉伸试样,用拉伸试验机测定该铝合金的力学参数。试验测得该铝合金的抗拉强度≥310MPa,屈服强度≥276MPa,其工程应力和真应力应变曲线见图2所示,6061-T6铝合金的材料属性见表1所示。

铝合金材料力学试验测试数据

图2 铝合金材料力学试验测试数据

表1 6061-T6铝合金材料属性

6061-T6铝合金材料属性

4 型材截面优化

    拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化。连续体拓扑优化是把优化空间的材料离散成有限个单元(壳单元或者体单元),离散结构拓扑优化是在设计空间内建立一个由有限个梁单元组成的基础结构,然后根据算法确定设计空间内单元的去留,保留下来的单元即构成最终的拓扑方案,从而实现拓扑优化。目前,连续体拓扑优化的研究已经较为成熟,主要有均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法(ESO)以及水平集方法等。OptiStruct拓扑优化的材料模式采用密度法,即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度”作为设计变量。优化求解后单元密度为1表示该单元位置处的材料很重要,需要保留;单元密度为0表示该单元处的材料不重要,可以去除,从而达到材料的高效利用,实现轻量化设计。本文采用HyperMesh软件中的OptiStruct优化模块对型材进行优化,优化模型需创建体积分数的响应volumefrac和静态柔度的响应compliance。设置体积分数为约束条件并设置其上限为0.3,即减重70%。设置静态柔度为目标函数,优化目标为静态柔度最小即刚度最大。设置完成之后进行拓扑优化。通过39次迭代之后,得到优化的型材截面如图3所示。

型材优化截面

图3 型材优化截面

    运用ossmooth功能模块导出优化之后的模型,在CAD软件中在根据实际加工情况及以往经验进行修改模型,得到的模型如图4所示。优化后的型材主要厚度由原来的2mm减薄到1.5mm。

型材优化模型

图4 型材优化模型

5 型材抗挤压性能分析

    电池包抗挤压性能是考核电池包强度的重要指标,GBT 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第三部分给出了电池包挤压实验的具体实施过程。按照国标的实验方法对电池箱体型材进行CAE强度仿真,首先对型材进行抽中面处理,采用四边形单元进行划分,单元尺寸取5mm,挤压头半径75mm,挤压头挤压速度1000mm/s,计算模型如图5所示。

挤压仿真模型

图5 挤压仿真模型

    5.1 挤压受力情况分析

原方案挤压应力云图

图6 原方案挤压应力云图

优化方案挤压应力云图

图7 优化方案挤压应力云图

原方案挤压应变云图

图8 原方案挤压应变云图

优化方案挤压应变云图

图9 优化方案挤压应变云图

    图6、图7分别为原方案和优化方案挤压变形30mm时的应力云图,从图中可以看出两种方案型材的最大应力均达到材料的抗拉强度310MPa,但优化方案型材应力分布较原方案更加均匀。图8、图9分别为原方案和优化方案挤压变形30mm时的应变云图,优化方案的最大塑形应变0.57小于原方案最大塑形应变0.71。

    5.2 挤压反作用力分析

    根据国标要求,电池包在承受100KN的挤压力时无爆炸和起火现象发生。为了确保电池包安全,在电池包设计时一般要求在挤压过程中电池箱体和模组不发生接触。优化方案形变35mm时,挤压反作用力达到规定值100KN,此时箱体和模组不发生接触。图10为原方案和优化方案挤压反作用力对比曲线。从图中可以看出,型材变形20mm之内时,优化方案较原方案挤压反作用力有明显提升,提升比例近40%。型材形变35mm时,优化方案挤压反作用力达到规定值100KN,原方案挤压反作用力为85KN,较原方案提升17.6%。

两种方案挤压反作用力比较

图10 两种方案挤压反作用力比较

    表2为原方案和优化方案的性能比较,由表中数据可以看出,在重量基本不变的情况下,优化方案较原方案最大塑形应变减小19.7%,挤压反作用力增大17.6%,优化方案抗挤压性能明显优于原方案。

表2 原方案和优化方案性能比较

原方案和优化方案性能比较

原方案和优化方案性能比较

7 结论

    采用OptiStruct优化模块对型材截面进行优化,并对两种方案进行挤压仿真分析。在重量基本不变的情况下,优化方案较原方案最大塑形应变减小19.7%,挤压反作用力增大17.6%,优化方案抗挤压性能明显优于原方案。通过型材截面优化可提前发现电池包结构强度存在的问题,降低电池包挤压实验通过的风险,为电池系统的结构安全设计提高有益参考。

责任编辑:程玥
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