方程式赛车动力电池箱结构设计与分析

蒋正禹;黄碧雄;刘宁宁

【摘要】为满足大学生方程式赛车动力电池轻量化、高速比、可靠安全性、稳定性的要求,对方程式赛车动力电池箱进行结构设计及分析.利用CATIA软件对方程式赛车动力电池箱主要零部件进行结构设计、装配并建立有限元模型,包括确定边界条件及确定载荷和约束施加等.对模型进行静态应力分析,验证模型及边界条件的正确性和可行性.计算出动力电池箱的变形位移和应力,对结果进行可视化处理.在此基础上,确定动力电池箱在工作时的危险部位,并对其完成相关的强度校核及结构优化.通过对箱体结构优化设计,提升了箱体的性能,并降低了其质量.

【期刊名称】《上海工程技术大学学报》

【年(卷),期】2019(033)001

【总页数】6页(P41-46)

【关键词】方程式赛车;动力电池箱;结构设计;有限元分析楔状隙

【作者】蒋正禹;黄碧雄;刘宁宁自摆乌龙

【作者单位】上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海201620;上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海201620;上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海201620

【正文语种】中文

【中图分类】U469.72

在国家高度重视环保和节能减排的今天,发展电动汽车(纯电动汽车、混合动力电动汽车)已经成为了汽车行业的热点.目前,制约电动汽车大规模使用的一个因素是大部分电动汽车续航能力还弱于传统汽车,其主要原因是电池包能量密度低.电池包整体的能量密度与电池箱结构紧密相关,电池箱的设计也成为新能源汽车发展的不可或缺的一部分,随着电池技术的发展,动力电池系统作为纯电动方程式赛车和无人驾驶方程式赛车的关键零部件,它的安全性、可靠性和耐久性决定着整车的性能.纯电动方程式赛车和无人驾驶方程式赛车动力电池箱一般布置在主环下方、驾驶座后方,有着较为恶劣的安装环境,电池箱体作为动力电池的载体,在动力电池安全工作和防护方面起着关键作用,如何保证结构设计合理性是箱体结构设计的首要任务.因此,通过对箱体结构优化设计,提升箱体的性能,降低其质量,是目前研究的重点.

本研究所设计的电池箱由底板、箱体、隔板、箱体盖、固定支架和吊环等零部件组成.

1 电池箱零部件优化设计

1.1 底板的模型建立及边界约束条件

边界条件的施加方式与有限元网格模型的生成方式直接相关,但实际情况往往比较复杂.底板应力云图和位移变形图如图1和图2所示.

图1 底板应力云图Fig.1 Stress nephogram of bottom plate

图2 底板位移变形图Fig.2 Displacement and deformation diagram of bottom plate

基于汽车轻量化考虑,相对传统合金钢,在满足相关强度等要求的同时优先选择高强度铝合金,底板材料选择CATIA软件系统中的3.2 mm铝合金.

赛车在运动过程中紧急制动或发生碰撞时会产生巨大的瞬时加速度,为保障电池箱的安全性,设计中需要满足各个方向产生的最大加速度(水平方向40g、垂直方向20g).因底板水平方向主要受切应力,垂直方向受压应力,所以给底板水平方向施加约束,垂直方向施加6 470 N/m2

应力(σ=F/S=ma/S,式中m=55 kg为电池总质量,a=20 N/kg为垂直方向加速度,S=500×335=167 500 mm2为底板受力面积).

从图1可以看出,当给底板施加6.47×103 N/m2的应力时,颜最深即应力分布最大的位置是底板中部两边缘处,应力约为5.47×106 N/m2.从图2可以看出,此时位移变形最大的为底板中心位置处,其变形位移量约为6.69×10-2 mm.底板颜最深处即为最危险处,在满足其要求的强度下,底板位移变形很小可以忽略不计,因此底板设计符合要求.

1.2 箱体模型建立及边界约束条件

箱体工作中其上表面主要是受压应力,其应力云图和位移变形图如图3和图4所示.

图3 箱体应力云图Fig.3 Stress nephogram of box

图4 箱体位移变形图Fig.4 Displacement and deformation diagram of box

箱体材料选择2.3 mm铝合金,因箱体水平方向各个面主要受压应力,垂直方向为切应力,前后面和左右面受力相似,所以只需选择给箱体左右方向施加约束,前后方向施加1.38×104 N/m2

应力来进行有限元分析(σ=F/S=ma/S,式中m=55 kg为电池总质量,a=40 N/kg,S=500×240=120 000 mm2为箱体受力面积).

由图3可知,给箱体施加1.38×104 N/m2应力时,颜最深即应力分布最大的位置为箱体,受力靠近约束面边缘处,应力约为4.57×107 N/m2.从图4可以看出,此时位移变形最大的为箱体受应力中心位置处,其变形位移量约为1.5 mm.箱体颜最深处即为最危险处,在满足其要求的强度下,箱体位移变形1.5 mm相对较大,出于安全考虑此箱体设计需要进行进一步相关强度校核.路易斯安那州

1.3 箱盖模型建立及边界约束条件

箱盖工作中主要是垂直方向上表面受压应力,水平方向受切应力,因此,给水平方向约束,垂直方向给载荷,其应力云图和位移变形图如图5和图6所示.

图5 箱盖应力云图Fig.5 Stress nephogram of box cover

图6 箱盖位移变形图Fig.6 Displacement deformation diagram of box cover

箱盖材料选择2.3 mm铝合金,因箱盖垂直方向主要是上表面受压应力,水平方向切应力,所以水平方向施加约束,垂直方向施加7.33×103 N/m2应力来进行有限元分析(σ=F/S=ma/S,式中m=55 kg为电池总质量,a=20 N/kg,S=500×300=150 000 mm2为箱盖受力面积).

从图5可知,当给箱盖施加7.33×103 N/m2的应力时,颜最深即应力分布最大的位置是箱盖与箱体接触边缘处,应力约为1.21×107 N/m2.从图6可知,此时位移变形最大的为箱盖中心受压应力位置处,其变形位移量为4.33×10-1 mm.箱盖颜最深处即为最危险处,在满足其要求的强度下,箱盖位移变形相对较小,因此箱盖符合设计要求.

1.4 固定支架模型建立及边界约束条件

固定支架与螺栓配合工作中水平方向主要受切应力,垂直方向受压应力,因其是电池箱与车架的唯一连接点,所以水平、竖直方向都必须进行有限元分析,其水平及竖直方向应力云图和位移变形图如图7、图8、图9和图10所示.

图7 固定支架水平向应力云图Fig.7 Horizontal stress nephogram of fixed bracket

图8 固定支架竖直向应力云图Fig.8 Vertical Stress nephogram of fixed bracket

长丰cs7图9 固定支架水平方向位移变形图Fig.9 Horizontal displacement deformation diagram of fixed bracket

图10 固定支架竖直方向位移变形图Fig.10 Vertical displacement deformation diagram of fixed bracket

固定支架材料选择3.2 mm铝合金,综合电池箱与车架的固定位置,固定支架的布置选择水平方向左右两边各5个支架通过螺栓与车架固定.

因固定支架水平方向主要受切应力,竖直方向受压应力,所以在水平方向给支架与螺栓接触曲面施加约束,水平方向施加4.38×106 N/m2的应力来进行有限元分析(σ=F/S=ma/(NS),式中m=55 kg为电池总质量,a=40 N/kg,S=(πd×3.2)/2=50.2 mm2为受力面积,d=10 mm固定支架孔直径,N=10为固定支架螺栓数).在竖直方向给支架与螺栓接触曲面施加约束,竖直方向施加3.42×106 N/m2的应力来进行有限元分析(σ=F/S=ma/(NS),式中m=55 kg为电池总质量,a=20 N/kg,S=20×20-πd2/4=321.5 mm2为受力面积,d=10 mm为固定支架孔直径,N=10为固定支架螺栓数).

从图7可知,当施加4.38×106 N/m2的应力时,颜最深即应力分布最大的位置是固定支架与螺栓接触面,其应力为2.96×105 N/m2.此时位移变形最大的为固定支架顶部位置处,其变形位移量为0.000 251 mm.从图8可知,当施加3.42×106 N/m2的应力时,颜最深即应力分布最大的是固定支架与螺栓接触面的位置,为8.44×104 N/m2.此时位移变形最大的为固定支架底部与车架连接部位置处,其变形位移量为2.11×10-5mm.

从固定支架水平方向应力云图、固定支架竖直方向应力云图和固定支架水平方向位移变形图、固定支架竖直方向位移变形图的综合分析可知,箱盖颜最深处即为最危险处,在满足其要求的强度下,固定位移变形都很小,可忽略不计,因此说明这种固定支架固定方式是比较可靠的,同时满足设计要求.

1.5 吊环模型建立及边界约束条件

知识管理系统

吊环材料选择常用的高强度铝合金材料,吊环工作中主要是受向上的拉应力,所以其约束为下端与箱体接触的加强板,其应力云图和位移变形图如图11和图12所示.

图11 吊环应力云图Fig.11 Stress nephogram of hanger ring

图12 吊环位移变形图Fig.12 Displacement and deformation diagram of hanger ring

因吊环主要用在电池箱与车架的拆装,所以吊环主要承受电池重力,工作时受拉应力.考虑到电池箱的安装环境及拆装方式,吊环的布置采用左右各一个,用于拆装从驾驶舱提出电池箱,前部安装一个,用于将电池箱通过滑槽从主环之下拉到驾驶舱,同时,设有吊环固定卡,避免在行驶过程中拉手产生振动.

因吊环水平方向受拉应力远小于垂直方向,所以只需要选择竖直方向受载做有限元分析,竖直方向施加1.38×105 N/m2的应力来进行有限元分析(σ=F/(NS)=mg/(NS),式中m=55 kg为电池总质量,g=10 N/kg,S=0.002 m2为吊环受力面积,N=2为吊环的固定数量).

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