一种电池框架结构优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种电池框架结构优化设计方法，属于电池结构设计技术领域，包括搭建带电池结构的车身模型；分析整车扭转刚度、弯曲刚度及静强度工况；提取电池固定点在各工况下的受力情况及整车刚度强度分析结果；基于电池固定点受力分析开展电池框截面2D拓扑；构建电池框结构，基于整车性能开展电池固定点位置、数量优化；基于整车性能优化电池框结构截面尺寸。该方法首先通过对初始车型进行分析，以获得不同工况下电池框与车身连接结构受力情况，基于受力分析开展电池框截面拓扑优化，根据拓扑优化结果开展电池与车身连接的固定点数量及位置优化设计，优化电池框及内部横纵梁位置、截面尺寸，以获得满足各项性能要求的，重量更轻的电池框架结构。更轻的电池框架结构。更轻的电池框架结构。

【技术实现步骤摘要】
一种电池框架结构优化设计方法


[0001]本专利技术属于电池结构设计
，具体涉及一种电池框架结构优化设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，电动车销量逐年递增，动力电池的应用越来越广泛。动力电池主要结构件为电池框架及上下盖板结构；目前针对动力电池的研究多集中在如何保护动力电池在碰撞中不受到碰撞挤压，以避免发生电池燃烧。这需要对车身结构进行加强，增加重量。
[0003]现有技术中未见电池结构对车身性能的贡献研究，如何设计合理的电池框结构，既能满足电池要求，又能提升整车性能，以充分挖掘结构的轻量化设计潜力，成为亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的如何保护动力电池在碰撞中不受到碰撞挤压等问题，本专利技术提供了一种电池框架结构优化设计方法，该方法首先通过对初始车型进行分析，以获得不同工况下电池框与车身连接结构受力情况，基于受力分析开展电池框截面拓扑优化，根据拓扑优化结果开展电池与车身连接的固定点数量及位置优化设计，优化电池框及内部横纵梁位置、截面尺寸，以获得满足各项性能要求的，重量更轻的电池框架结构。
[0005]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0006]一种电池框架结构优化设计方法，具体包括以下步骤：
[0007]S1：搭建带电池结构的车身有限元模型；
[0008]S2：基于带电池结构的车身有限元模型开展车身扭转刚度、弯曲刚度及静强度工况，计算整车扭转刚度、弯曲刚度及车身和电池结构的应力水平，作为整车性能的初始值；
[0009]S3：提取电池固定点在各工况下的受力情况及整车刚度分析结果；
[0010]S4：基于电池固定点受力分析制定电池框截面形状拓扑优化工况；
[0011]S5：构建电池框结构，基于整车性能开展电池固定点位置、数量优化；
[0012]S6：基于步骤S5优化后的电池固定点位置及数量进一步优化电池框结构截面尺寸及料厚。
[0013]进一步地，步骤S1中，车身薄板件采用壳单元建模，铸件采用四面体网格建模，对于电芯采用六面体简化建模。
[0014]进一步地，步骤S1中，具体包括如下内容：
[0015]电池结构布置于车身底部，电池框左、右两侧分别与车身左、右门槛通过螺栓连接，电池框前、后侧分别与地板前、后横梁结构通过螺栓连接；电池框间焊缝连接、上下盖板与电池框间的铆接、均采用RBE2单元简化模拟；螺栓连接采用BAR单元进行模拟，BAR单元的两端通过RBE2单元连接到车身和电池框固定孔位置处。
[0016]进一步地，步骤S3中，具体包括如下内容：
[0017]通过仿真计算，输出模拟电池和车身螺栓连接的梁单元的受力情况，包括梁单元
的轴向力、两方向剪切力、扭矩和两方向弯矩。
[0018]进一步地，步骤S4中，具体包括如下内容：
[0019]首先，确定电池框的结构设计初始空间，确定最大的优化设计空间；然后，在最大的优化设计空间上依据不同工况下的BAR单元受力分析，作为优化输入载荷，进行不同工况的拓扑优化；同时结合结构必须保留的边界进行综合拓扑。
[0020]进一步地，步骤S4中，拓扑优化的公式如下所示：
[0021]FIND X＝(x1，x2......x
n
)；
[0022]MIN f(X)＝f(x1，x2......x
n
)；
[0023]S.T.V(X)≤0.3V0；σ(X)≤σ
yield
；
[0024]其中，X为设计变量，在拓扑优化中表示单元密度，1,2
……
n表示单元数量；
[0025]f(X)为结构的目标函数，在截面拓扑中表示在各工况下优化目标为结构的柔度最小；
[0026]V(X)为体积，在截面拓扑优化中要求优化后的体积小于等于初始体积V0的0.3倍；
[0027]σ(X)为结构应力，在截面拓扑优化中要求优化后的结构应力不超过材料的屈服极限σ
yield
。
[0028]进一步地，步骤S5中，具体包括如下内容：
[0029]首先，基于拓扑优化结果，进行电池框结构重构，设定初始截面尺寸，将重构电池框模型替换到带电池结构的车身有限元模型中；然后，计算拓扑优化后的电池框架对整车性能的影响情况；最后，对电池固定点位置和数量进行优化；综合各工况，取性能最优的固定点布置方案。
[0030]进一步地，所述电池固定点位置和数量进行优化，采用如下公式：
[0031]FIND Y＝(y1，y2......y
n
)；
[0032]MAX f(Y)＝f(y1，y2......y
n
)；
[0033]S.T.MASS(Y)≤MASS0；
[0034]Y为设计变量，表示电池框内横梁位置、螺栓连接固定点数量或位置；
[0035]f(Y)为结构的目标函数，具体包括车身扭转刚度、弯曲刚度、结构强度；
[0036]MASS(Y)为结构重量，MASS0为结构重量最大上限。
[0037]进一步地，所述优化电池框结构截面尺寸，采用如下公式：
[0038]FIND Z＝(z1，z2......z
n
，t1，t2.....t
n
)；
[0039]min MASS(Z)；
[0040]S.T.T(Z)≥T0；B(Z)≥B0；σ(Z)≤σ
yield
；
[0041]Z为设计变量，z1，z2......z
n
表示截面尺寸变量，t1，t2......t
n
表示梁截面内料厚；
[0042]MASS(Z)为结构重量，优化目标为重量最小；
[0043]T(Z)为车身扭转刚度，T0为车身扭转刚度下限值、B(Z)为车身弯曲刚度，B0为车身弯曲刚度下限值，σ(Z)为结构应力，优化后的结构应力不超过材料的屈服极限σ
yield
。
[0044]与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
[0045]本专利技术的一种电池框架结构优化设计方法，该方法首先通过对初始车型进行分析，以获得不同工况下电池框与车身连接结构受力情况，基于受力分析开展电池框截面拓
扑优化，根据拓扑优化结果开展电池与车身连接的固定点数量及位置优化设计，优化电池框及内部横纵梁位置、截面尺寸，以获得满足各项性能要求的，重量更轻的电池框架结构。
附图说明
[0046]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0047]图1为本专利技术的一种电池框架结构优化设计方法的流程示意图；
[0048]图2为本专利技术的搭建带电池结构的车身模型的示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池框架结构优化设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1：搭建带电池结构的车身有限元模型；S2：基于带电池结构的车身有限元模型开展车身扭转刚度、弯曲刚度及静强度工况，计算整车扭转刚度、弯曲刚度及车身和电池结构的应力水平，作为整车性能的初始值；S3：提取电池固定点在各工况下的受力情况及整车刚度分析结果；S4：基于电池固定点受力分析制定电池框截面形状拓扑优化工况；S5：构建电池框结构，基于整车性能开展电池固定点位置、数量优化；S6：基于步骤S5优化后的电池固定点位置及数量进一步优化电池框结构截面尺寸及料厚。2.如权利要求1所述的一种电池框架结构优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，车身薄板件采用壳单元建模，铸件采用四面体网格建模，对于电芯采用六面体简化建模。3.如权利要求1所述的一种电池框架结构优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，具体包括如下内容：电池结构布置于车身底部，电池框左、右两侧分别与车身左、右门槛通过螺栓连接，电池框前、后侧分别与地板前、后横梁结构通过螺栓连接；电池框间焊缝连接、上下盖板与电池框间的铆接、均采用RBE2单元简化模拟；螺栓连接采用BAR单元进行模拟，BAR单元的两端通过RBE2单元连接到车身和电池框固定孔位置处。4.如权利要求1所述的一种电池框架结构优化设计方法，其特征在于，步骤S3中，具体包括如下内容：通过仿真计算，输出模拟电池和车身螺栓连接的梁单元的受力情况，包括梁单元的轴向力、两方向剪切力、扭矩和两方向弯矩。5.如权利要求1所述的一种电池框架结构优化设计方法，其特征在于，步骤S4中，具体包括如下内容：首先，确定电池框的结构设计初始空间，确定最大的优化设计空间；然后，在最大的优化设计空间上依据不同工况下的BAR单元受力分析，作为优化输入载荷，进行不同工况的拓扑优化；同时结合结构必须保留的边界进行综合拓扑。6.如权利要求5所述的一种电池框架结构优化设计方法，其特征在于，步骤S4中，拓扑优化的公式如下所示：FIND X＝(x1，x2......x
n
)；MIN f(X)＝f(x1，x2......x
n

【专利技术属性】
技术研发人员：何洪军，马明辉，于保君，孙立伟，王宁，肖永富，刘启龙，杜伟娟，李贵修，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：