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某电瓶箱箱体开裂问题有限元分析与解决方案

2022-12-18 15:46:07来源：重庆汽车工程学会

作者：

孙清雨吴秀杰韩璐袁仁炼

张翼

(相关资料图)

陶弦

徐刚

赵子博

王浩

单位：

上汽红岩汽车有限公司

摘要：

针对某车型电瓶箱箱体疲劳台架试验开裂问题，运用有限元分析软件Hyperworks对电瓶箱箱体进行频率响应分析。仿真结果表明，电瓶箱箱体在Z向加载1G加速度激励作用下，箱体前端与储气筒支架连接位置处存在较大应力，并在疲劳台架振动试验中出现了相同位置的开裂故障。根据有限元分析结果，提出了优化改进方案，并且优化后的方案在台架振动试验中未再次发生开裂，满足了车型使用要求。

序言

电瓶箱箱体在商用车底盘系统中占据着重要地位，需要任何时候都起到承载蓄电池和储气筒的作用，箱体本身应该具有较高的强度和刚度。商用车在正常行驶过程中，如果电瓶箱箱体发生失效损坏，将会导致整车电力系统故障及制动系统故障，严重时将会影响行车安全

[1]

。因此，电瓶箱箱体对蓄电池及储气筒的安全工作和承载防护起着至关重要的作用。

有限元仿真分析计算能够提供零部件的应力分布，在设计阶段确定零部件的结构薄弱位置。通过改进结构设计，可以在设计初期避免不合理的应力分析

[2]

。同时与传统试验方法相比，它可以减少试验样件的数量，缩短产品开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力

[3][4]

。因此，本文针对疲劳台架试验中某电瓶箱箱体开裂问题，运用有限元分析方法对电瓶箱箱体进行了频率响应分析，找出了开裂原因，并提出了优化改进方案。

电瓶箱系统结构

电瓶箱系统总成在重型商用车上的布置与乘用车有较大不同，乘用车上蓄电池的布置一般在发动机舱纵梁上

[5]

，而商用车上的电瓶箱系统总成为了满足整车底盘的空间设计布置，大多选择布置在车架纵梁一侧。常见的结构形式为卧式与立式。一般为了保证整车离地高度，卧式电瓶箱结构成为了大多数主机厂主要选择的结构形式，该结构形式的电瓶箱系统一般选择布置在油箱附近，如图1所示。此结构形式的电瓶箱系统中蓄电池采用并排布置，电瓶箱箱体底板面积较大，因此对箱体结构强度有较高要求。

电瓶箱系统总成结构示意图如图2所示，其结构总成一般由电瓶箱箱盖、蓄电池、电瓶箱箱体、电瓶箱箱体支架、夹紧支架、紧固拉杆、储气筒及储气筒支架等组成。电瓶箱系统中通过夹紧支架、紧固拉杆一起将蓄电池固定在电瓶箱箱体底板上，以保证蓄电池在车辆行驶过程当中，在前后、左右、上下各个方向上均不会发生窜动，避免蓄电池对电瓶箱箱体侧壁和箱盖造成冲击，影响电瓶箱箱体使用寿命

[6]

。储气筒与储气筒支架通过箍带相互连接，并采用螺栓固定的方式安装在电瓶箱箱体的底部，电瓶箱箱体支架通过螺栓将电瓶箱系统与车架纵梁进行固连。

电瓶箱系统总成有限元模型建立

2.1 电瓶箱系统总成网格划分

在有限元处理中，结构的网格划分对有限元分析结果影响很大，一个模型的网格划分数量越多，计算结果的准确度就越高，但是网格数量过多将会导致计算求解的数量增加，任务量加大，因此，在结构划分网格时，要选择合适的网格类型及尺寸，使分析的结果和精度更加合理

[7]

。

本文采用Altair公司的前处理HyperMesh软件对电瓶箱结构总成进行网格划分，蓄电池箱体及箱体支架等钣金件结构采用四边形进行处理，网格单元尺寸为5mm；在结构过渡区域，由于无法采用四边形网格，因此，采用少量的三角形单元网格来保证整体结构的网格质量；同时为保证运算精度，在结构圆角过渡区域须将网格层数控制在三层；对于结构中采用螺栓连接的位置采用washer处理，如图3所示。由于蓄电池结构为非考核对象，故对其进行简化处理，并处理为四面体单元

(TETRA4)

，网格单元尺寸为

mm-

6mm

；最终完成电瓶箱系统总成有限元模型如图4所示。

2.2 材料参数属性

通过材料属性卡片及设计部门提供的相关材料参数，将系统中确定各个部件的材料参数属性，主要材料参数见表1所示。

2.3 边界条件

由于电瓶箱在实际使用过程中主要失效形式为振动导致的开裂，本文有限元分析是对电瓶箱系统进行频率响应的分析，考察其在一定激励作用下结构的应力响应结果，其系统结构阻尼比取值为0.05。约束电瓶箱系统与相连车架两端所有自由度，并在其节点处施加沿X、Y、Z方向上1G的单位加速度激励。

电瓶箱系统总成台架振动试验及有限元分析

3.1 电瓶箱系统总成频率响应分析

频率响应分析