電動汽車電池殼輕量化設(shè)計(jì)摘要：由于環(huán)保和節(jié)能的需要，對電動汽車的電池殼進(jìn)行改進(jìn)已達(dá)到輕量化的目的已成為刻不容緩的事。但是輕量化設(shè)計(jì)不是簡單的沒有技術(shù)含量的降低電動汽車重量，這需要保持電池殼需要的性能要求下，確定目標(biāo)函數(shù)，然后優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，減輕零件重量，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)要求。本文會在使用替換材料，改進(jìn)既有結(jié)構(gòu)，使用制造技術(shù)三方面對電動汽車電池殼進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。其中重點(diǎn)在于改進(jìn)電池殼的結(jié)構(gòu)，分別使用尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化。在初始使用SolidWorks進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后，利用hyperworks對電池殼進(jìn)行靜力分析以及拓?fù)鋬?yōu)化。然后根據(jù)分析結(jié)果對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。之后還需要對電池殼進(jìn)行強(qiáng)度分析。關(guān)鍵字：輕量化設(shè)計(jì)，三維，hyperworks，拓?fù)鋬?yōu)化1引言由于環(huán)保和節(jié)能的需要，對電動汽車的電池殼進(jìn)行改進(jìn)已達(dá)到輕量化的目的已成為刻不容緩的事。但是輕量化設(shè)計(jì)不是簡單的沒有技術(shù)含量的降低電動汽車重量，這需要保持電池殼需要的性能要求下，確定目標(biāo)函數(shù)，然后優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，減輕零件重量，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)要求。而本次電動汽車電池殼的輕量化設(shè)計(jì)主要包括三方面，一是使用新型材料，二是改進(jìn)既有結(jié)構(gòu)，三是在制造技術(shù)方面進(jìn)行改進(jìn)。重點(diǎn)在于改進(jìn)電池殼的結(jié)構(gòu)。1.1課題背景及意義如今，在重視環(huán)保和節(jié)能微排的大環(huán)境下，發(fā)展電動汽車已是熱點(diǎn)話題。汽車質(zhì)量的減少可以同時(shí)降低油耗和排放量。因此電動汽車輕量化設(shè)計(jì)的開發(fā)也得到了越來越多的重視。對電動汽車的不同結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)需要在保證其強(qiáng)度和安全性能的前提下，以降低電動汽車的整備質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，從而達(dá)到降低油耗和排放量，以及提高電動汽車的動力利用率的目的。首先汽車的輕量化對于降低油耗、減少排放起著至關(guān)重要的作用，在已有數(shù)據(jù)中知道每減輕100公斤，二氧化碳的排放就會相應(yīng)減少近5克/公里。在提高電動汽車的動力性能方面具體體現(xiàn)在駕駛方面。輕量化后會顯著提高加速性能，同時(shí)也會減少制動距離。因此電動汽車的輕量化技術(shù)對降低油耗、減少排放以及提升安全性都有作用的。本文需要設(shè)計(jì)的電動汽車電池殼體，將這兩者的優(yōu)化都會大程度的改善電動汽車的輕量化技術(shù)。1.2輕量化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀目前汽車輕量化方法：1、在不改變汽車大尺寸的前提下對汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2、使用金屬材料：鋁、鎂以及陶瓷等其他材料來替換原有材料；

3、使用分析軟件hyperworks，ansys等對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

大多是使用輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化也是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。而根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類型將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)又分為不同的層次：從簡到復(fù)雜有尺寸、形狀的優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化。目前，尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化技術(shù)都已較為成熟，拓?fù)鋬?yōu)化還在不斷研發(fā)中。拓?fù)鋬?yōu)化以材料的分布為優(yōu)化對象，其基本思想是研究最優(yōu)材料的分布問題，使得結(jié)構(gòu)的某些性能得到優(yōu)化或結(jié)構(gòu)的重量得到減輕。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化所研究的問題包括連續(xù)結(jié)構(gòu)和離散結(jié)構(gòu)，一般采用的方法是，前者一般把結(jié)構(gòu)的最小柔順性當(dāng)作優(yōu)化目標(biāo)，后者把結(jié)構(gòu)最小重量當(dāng)作優(yōu)化目標(biāo)以達(dá)到材料的最合理分布。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)使設(shè)計(jì)人員在僅僅知道結(jié)構(gòu)的邊界條件和在和載荷條件下確定較合理的結(jié)構(gòu)形式。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。即在使用相同材料以及任何剛度強(qiáng)度要求都要滿足的前提下實(shí)現(xiàn)電池殼的輕量化設(shè)計(jì)。本文就采用了hyperworks軟件對電池箱的電池包殼；內(nèi)箱體和外箱體；車架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。1.3課題內(nèi)容及要求目前的電動汽車主要是普通汽車演變而來，結(jié)構(gòu)明顯過重，同時(shí)電動車車架承載許多重要部件等。電動汽車汽車由于需攜帶沉重的磷酸鐵鋰電池，對的承重能力有特殊要求。車架在根據(jù)縱梁不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有綜合式、脊梁式、周邊式、X形式、梯形幾種車架。在本次設(shè)計(jì)中就采用了邊梁式車架，就是梯形車架。至于電動汽車的電池箱，由于結(jié)構(gòu)是用手裝載動力電池的，所以多數(shù)采用了箱式結(jié)構(gòu)。由于燃油經(jīng)濟(jì)性，也要對電池箱體進(jìn)行優(yōu)化。目前電動汽車基本上都選用鋰離子電池，鋰電池有很多優(yōu)點(diǎn)，但電池溫度不好控制。鋰離子電池在不同溫度下，工作狀態(tài)變化極大，數(shù)據(jù)表示只有在25時(shí)，單體電池的循環(huán)壽命可以接近2000次。同時(shí)裸露放置對電池壽命很有威脅。因此，防塵、防水、防振、絕緣以及拆卸方便的電池箱，是目前電池箱設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在本次設(shè)計(jì)中，我就打算從輕質(zhì)替換材料方面以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面人手。首先分別就電動車車架進(jìn)行應(yīng)力分析有限元建模，針對不同工作情況，分析其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，以便優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。需要綜合考慮對材料的要求以及材料的優(yōu)勢劣勢性能，挑選出符合力學(xué)性能的，有經(jīng)濟(jì)合理的輕質(zhì)材料。本論文研究對象是電動汽車，選取了江淮iev4電動車。的電池箱的三維模型運(yùn)用solidworks進(jìn)行設(shè)計(jì)。之后計(jì)算車架電池箱各種工況進(jìn)行整體分析，得到它的內(nèi)力分布，根據(jù)各部分的受力狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，修改各部分的設(shè)計(jì)變量，將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)組成新的方案，爾后作一次結(jié)構(gòu)分析，檢驗(yàn)這個(gè)方案是否可行。主要任務(wù)：（1）了解國內(nèi)外電動汽車研究發(fā)展概況；（2）用solidworks軟件建立電動汽車電池殼三維模型；（3）用hyperworks軟件根據(jù)實(shí)際受力情況在幾種工況下對電池箱的電池包殼，內(nèi)箱體，外箱體以及車架進(jìn)行靜態(tài)分析。（4）根據(jù)受力狀態(tài)對零件進(jìn)行優(yōu)化，在滿足靜態(tài)、動態(tài)的前提下，使其質(zhì)量變小。（5）修改電池殼三維圖；（6）對修改過電池殼零件進(jìn)行最后的靜力分析，是否滿足強(qiáng)度條件；（7）繪制電池殼二維圖。2電池殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1電池殼的設(shè)計(jì)背景本次電池殼的輕量化設(shè)計(jì)是包括了電動汽車車架以及內(nèi)電池箱和外電池箱的輕量化設(shè)計(jì)，而車型則是針對江淮iEv4車型。江淮iEv4采用的電池也是磷酸鐵鋰電池（LiFePO4），其含量是19.2kwh。LiFePO4由于很好的安全性能和長的循環(huán)壽命，多被作為目前的電動汽車的電池。設(shè)計(jì)的電池箱是放置在后備箱下的包含6個(gè)單體6-QW-45的VARTA電池，其尺寸為250×140×250mm。的設(shè)計(jì)需要考慮電池箱的安置以及整車載荷，包括乘客質(zhì)量。2.2電池殼的初始設(shè)計(jì)及其三維圖圖1.1電池殼總裝配初圖（隱藏內(nèi)箱蓋）2.2.1電池箱三維圖圖1.3電池箱裝配圖（隱藏內(nèi)箱蓋）內(nèi)箱體三維圖圖1.4內(nèi)箱體圖內(nèi)箱蓋，銷三維圖圖1.5內(nèi)箱蓋圖圖1.5銷圖外箱體三維圖圖1.6外箱體圖外箱欄三維圖圖1.7外箱欄圖電池包殼及定位板裝配體圖1.8定位板裝配體圖其中電池包殼：圖1.8電池包殼圖定位板A、B：圖1.9電池定位板A、B圖3電池箱軟件分析3.1電池包殼3.1.1電池包殼有限元模型建立由于電池箱的電池包殼、內(nèi)箱體和外箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在劃分網(wǎng)格時(shí)，首先在有限元軟件hyperworks中對車架幾何模型進(jìn)行中面抽取，獲得殼體模型。而Hyperworks軟件提供了中面抽取工具，得到空間殼體。在使用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格之后進(jìn)行定義材料及材料屬性。由于特殊設(shè)計(jì)要求，電池箱的全部材料選擇了鍍鋅鋼板。就是在鋼板表面涂以一層金屬鋅，這樣可以使鋼板表面減少腐蝕，延長壽命。材料屬性如下表1.2。材料名稱彈性模量E（mpa）泊松比Nu鍍鋅鋼板S280GD+Z0.28抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度密度()270~370mpa180~250mpa7800表1.2電池箱材料屬性之后的步驟是約束設(shè)定，電池包殼就約束殼體的突出部分。電池包殼沒有底板，所以在正常行駛中不受載荷。在初始設(shè)計(jì)中電池包殼的壁厚為5mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為1mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結(jié)果確定該種輕量化是否符合。有兩種特殊工況：1、滿載制動，受到力為211N，作用在長側(cè)板上，壓強(qiáng)為0.0038mpa。2、滿載轉(zhuǎn)彎，受到力為84.4N，作用在短側(cè)版上，壓強(qiáng)為0.00274mpa。3.1.2電池包殼靜力分析滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.011mm最大應(yīng)力：38.9mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是38.9mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.001mm最大應(yīng)力：10.6mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是10.6mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。電池包殼分析綜述：電池塊殼體使用1mm鋼板完全滿足要求。3.2內(nèi)箱體3.2.1內(nèi)箱體有限元模型建立內(nèi)箱體也選取空間板殼單元。在使用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格之前，先進(jìn)行幾何清理，簡化小尺寸結(jié)構(gòu)比如圓角還有小孔等等。由于在初始設(shè)計(jì)時(shí)，處于通風(fēng)散熱考慮，設(shè)計(jì)了很多通風(fēng)孔和柵欄，所以電池內(nèi)箱體的輕量化設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應(yīng)力范圍的壁厚，以及適當(dāng)優(yōu)化內(nèi)箱體結(jié)構(gòu)，以減小集中應(yīng)力。載荷以分布力施加于箱體的底面和側(cè)圍上，約束內(nèi)箱體與外箱體接觸的四角。內(nèi)箱體承受著電池的重量以及內(nèi)箱體自重。在初始設(shè)計(jì)中內(nèi)箱體的壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結(jié)果確定該種壁厚是否符合。受到載荷：重力有三種特殊工況：1、顛簸工況，受到力為4817.68N，作用在底板上；1、滿載制動，受到力為2408.84N，作用在長側(cè)板上；2、滿載轉(zhuǎn)彎，受到力為963.54N，作用在短側(cè)版上。3.2.2內(nèi)箱體靜力分析壁厚為10mm時(shí)滿載制動：位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.64mm最大應(yīng)力：26.1mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是26.1mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.15mm最大應(yīng)力：17mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是17mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.2mpa最大應(yīng)力：24.5mpa結(jié)果分析：在顛簸工況時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是24.5mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。壁厚為10mm的內(nèi)箱體分析綜述：最大應(yīng)力都遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因此可以減小壁厚。（2）壁厚為5mm時(shí)滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：5.8mm最大應(yīng)力：98.3mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是98.3mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：2.15mm最大應(yīng)力：65.8mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是65.8mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，且最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：3.14mm最大應(yīng)力：109.7mpa結(jié)果分析：在顛簸工況時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是109.7mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，且最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。壁厚為5mm的內(nèi)箱體分析綜述：最大應(yīng)力都遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，可以減小壁厚。（3）壁厚為3mm滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：23.1mm最大應(yīng)力：271.2mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是271.2mpa，逼近許用應(yīng)力范圍極限。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：6.13最大應(yīng)力：180.1mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是180.1mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：10.7mm最大應(yīng)力：320.7mpa結(jié)果分析：在顛簸工況時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是320.7mpa，超出許用應(yīng)力范圍，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。壁厚為3mm的內(nèi)箱體分析綜述：最大應(yīng)力有超出許用應(yīng)力，不能繼續(xù)減小壁厚。但超出不多，可以嘗試減小孔以及使用圓角，減小集中應(yīng)力。以下是對3mm無空的內(nèi)箱體進(jìn)行分析。滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：21.1mm最大應(yīng)力：247.1mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是247.1mpa，逼近許用應(yīng)力范圍極限。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：6.07mm最大應(yīng)力：114mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是114mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：9.8mm最大應(yīng)力：190.5mpa結(jié)果分析：在顛簸工況時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是190.5mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。壁厚為3mm的無孔內(nèi)箱體分析綜述：最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，但電池箱需要通風(fēng)散熱，無孔內(nèi)箱不符合設(shè)計(jì)要求，所以內(nèi)箱體減小通風(fēng)孔尺寸以及各邊需要較大圓角以避免應(yīng)力集中。3.3外箱體3.3.1外箱體有限元模型建立外箱體建模時(shí)選擇也是空間板殼單元，在網(wǎng)格劃分前先幾何清理。外箱體的輕量化設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應(yīng)力范圍的壁厚，以及適當(dāng)優(yōu)化外箱體結(jié)構(gòu)，以減小集中應(yīng)力。載荷以分布力施加于箱體的底面和側(cè)圍上，約束箱體底板螺紋孔。電池內(nèi)箱體承受電池重量以及自重。在初始設(shè)計(jì)中內(nèi)箱體的壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結(jié)果確定該種壁厚是否符合。受到載荷：重力有三種特殊工況：1、顛簸工況，受到力為6288.033N，作用在三角形底板上；1、滿載制動，受到力為3144N，作用在長側(cè)板上；2、滿載轉(zhuǎn)彎，受到力為1257.607N，作用在短側(cè)版上。3.3.2外箱體靜力分析（1）壁厚為10mm滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1mm最大應(yīng)力：31.3mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是31.3mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。但也是出現(xiàn)在幾個(gè)點(diǎn)。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.22mm最大應(yīng)力：44.6mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是44.6mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.11mm最大應(yīng)力：20.4mpa結(jié)果分析：在顛簸工況時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是31.3mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。壁厚為10mm的外箱體分析綜述：最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，可以繼續(xù)減小壁厚。（2）壁厚為5mm滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：2.28mm最大應(yīng)力：96.1mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是96.1mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：2.71mm最大應(yīng)力：171.2mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是171.2mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.84mm最大應(yīng)力：76.6mpa結(jié)果分析：在顛簸工況時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是76.6mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。壁厚為5mm的外箱體分析綜述：最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，可以繼續(xù)減小壁厚。（3）壁厚為3mm滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：12.4mm最大應(yīng)力：236.7mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是236.7mpa，接近許用應(yīng)力范圍極限，最大應(yīng)力主要產(chǎn)生于柵欄的應(yīng)力集中。滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：8.77mm最大應(yīng)力：470.7mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是470.7mpa，超出許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：4.84mm最大應(yīng)力：216.3mpa結(jié)果分析：在顛簸時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是216.3mpa，接近許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。壁厚為3mm的外箱體分析綜述：最大應(yīng)力超出許用應(yīng)力范圍內(nèi)，不能繼續(xù)減小壁厚。建議使用3mm鋼板，保留空心槽。將底部的三角形面積加大并把側(cè)圍和底面的直角改為圓角。4電池殼輕量化設(shè)計(jì)改進(jìn)4.1電池包殼輕量化改進(jìn)4.1.1電池包殼優(yōu)化思路在初始設(shè)計(jì)中電池包殼的壁厚為5mm，在考慮具體載荷后，5mm足以承載不同工況，且這種壁厚有較大浪費(fèi)。因此定義鋼板厚度為1mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結(jié)果確定該種輕量化是否符合。4.1.2電池包殼輕量化設(shè)計(jì)及對比在電池包殼壁厚為1mm，電池定位庫不受載荷，在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是10.6mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。因此1mm鋼板完全滿足要求。修改后的電池包殼體積為225036.55，比修改前的1157982.75減少了932946.1，根據(jù)其材料的密度得到電池包殼優(yōu)化后減輕了7.28kg。4.2內(nèi)箱體輕量化改進(jìn)4.2.1內(nèi)箱體優(yōu)化思路在電池內(nèi)箱體的初始設(shè)計(jì)時(shí)，出于通風(fēng)、散熱的考慮，設(shè)計(jì)了一些通風(fēng)孔和柵欄，所以我將電池內(nèi)箱體的輕量化設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應(yīng)力范圍的壁厚，以及適當(dāng)優(yōu)化內(nèi)箱體結(jié)構(gòu)，以減小集中應(yīng)力。初始壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，根據(jù)靜力分析結(jié)果確定該種壁厚是否符合。4.2.2內(nèi)箱體輕量化設(shè)計(jì)及對比當(dāng)壁厚為10mm以及5mm時(shí)，最大應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。而當(dāng)壁厚為3mm時(shí)，有些最大應(yīng)力超出了許用應(yīng)力。我加分析了壁厚為3mm的無孔內(nèi)箱體，得到了最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)的結(jié)果。但電池箱需要通風(fēng)散熱，無孔內(nèi)箱不符合設(shè)計(jì)要求，所以內(nèi)箱體減小通風(fēng)孔尺寸以及各邊需要較大圓角以避免應(yīng)力集中。在優(yōu)化后，重新對內(nèi)箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，了解其是否符合強(qiáng)度要求。優(yōu)化后滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.71mm最大應(yīng)力：238mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是238mpa，接近許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。由圖可知最大應(yīng)力淺藍(lán)色在106.3mpa以下，所以符合要求。優(yōu)化后滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：17.7mm最大應(yīng)力：378mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是378mpa，超過許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。由圖可知最大應(yīng)力淺綠色在204mpa以下，所以符合要求。優(yōu)化后顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：1.69mm最大應(yīng)力：260mpa結(jié)果分析：在顛簸時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是260mpa，接近許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。由圖可知最大應(yīng)力淺綠色在145mpa以下，所以符合要求。因此內(nèi)箱體在壁厚使用3mm鋼板適當(dāng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)后完全滿足要求見圖3.2。修改后的電池內(nèi)箱體體積為3385836.35，比修改前的12067686.11減少了8681849.86，根據(jù)其材料的密度得到電池內(nèi)箱體優(yōu)化后減輕了67.7kg。4.3外箱體輕量化改進(jìn)4.3.1外箱體優(yōu)化思路由于初始設(shè)計(jì)已經(jīng)對外箱體設(shè)計(jì)了柵欄以及三角形底板，因此外箱體輕量化設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應(yīng)力范圍的壁厚，以及適當(dāng)優(yōu)化外箱體結(jié)構(gòu)，以減小集中應(yīng)力。在初始設(shè)計(jì)中外箱體的壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結(jié)果確定該種壁厚是否符合。4.3.2外箱體輕量化設(shè)計(jì)及對比當(dāng)外箱體的壁厚為10mm以及5mm時(shí)，最大應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。而當(dāng)壁厚為3mm時(shí)，有些最大應(yīng)力超出了許用應(yīng)力，因此不能繼續(xù)減小壁厚。建議使用3mm鋼板，保留偷輕槽。將底部的三角形面積加大并把側(cè)圍和底面的直角改為圓角。在優(yōu)化后，重新對內(nèi)箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，了解其是否符合強(qiáng)度要求。優(yōu)化后滿載制動位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：4.9mm最大應(yīng)力：474mpa結(jié)果分析：在滿載制動時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是474mpa，超過許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。由圖可知最大應(yīng)力淺綠色在210mpa以下，所以符合要求。優(yōu)化后滿載轉(zhuǎn)彎位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：14.7mm最大應(yīng)力：329mpa結(jié)果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是329mpa，超過許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。由圖可知最大應(yīng)力淺綠色在219.3mpa以下，所以符合要求。優(yōu)化后顛簸工況位移云圖應(yīng)力云圖最大位移：2.86mm最大應(yīng)力：295mpa結(jié)果分析：在顛簸時(shí)最大的應(yīng)力（紅色）是295mpa，接近許用應(yīng)力范圍極限，但最大應(yīng)力只發(fā)生在幾個(gè)點(diǎn)，這也可能是由于約束不當(dāng)造成。由圖可知最大應(yīng)力淺綠色在131.2mpa以下，所以符合要求。因此外箱體在壁厚使用3mm鋼板適當(dāng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)后完全滿足要求見圖3.3。修改后的電池外箱體體積為2285926.85，比修改前的9395709.55減少了7109782.7，根據(jù)其材料的密度得到電池外箱體優(yōu)化后減輕了55.46kg。結(jié)論首先按照已有的電池的尺寸建立電池箱的三維模型，為固定電池箱，配合其尺寸建立的三維模型。然后在有限元軟件hyperworks中建立了有限元模型，對電池箱的電池包殼、內(nèi)箱體、外箱體進(jìn)行靜力分析，了解應(yīng)力分布和位移狀況，針對不同的零件設(shè)計(jì)不同的適合的輕量化設(shè)計(jì)方法。對電池包殼由于無承載，只有兩個(gè)工況，因此主要是優(yōu)化其壁厚。對電池內(nèi)箱體和外箱體，由于在初始設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮到減輕重量，設(shè)計(jì)了柵欄、圓孔以及三角底板，所以對電池內(nèi)箱體的輕量化設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于優(yōu)化壁厚的同時(shí)對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減小集中應(yīng)力。最后仍舊需要在有限元軟件hyperworks中對改進(jìn)模型的性能進(jìn)行分析這樣的步驟。因此在優(yōu)化后的總裝配的體積為86094751.02，比修改前的111259720.78減少了25164969.76，質(zhì)量約為196.19kg，減重22.6%。圖3.2優(yōu)化后內(nèi)箱體圖3.3優(yōu)化后外箱體參考文獻(xiàn)[1]濮良貴.紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2006.[2]鄭文緯.吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].高等教育出版社，1982.[3]吳序堂.西安交通大學(xué)出版社[M].電動汽車工程，2007.[4]江耕華.機(jī)械傳動設(shè)計(jì)手冊(下)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.[5]齒輪手冊編委會.齒輪手冊第2版（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.[6]余志生.電動汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.[7]王望予.電動汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.[8]譚繼錦，張代勝.電動汽車結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.[9]朱家誠，朱文予.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].合肥.合肥工業(yè)大學(xué)，2010.[10]趙立軍，佟欽智.電動汽車結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：北京出版社，2012.[11]王震坡，孫逢春.電動車輛動力電池系統(tǒng)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.[12]王宏雁，陳君毅.汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.[13]智淑亞.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.[14]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.[15]李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.[16]曹巖.SolidWorks2009機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例精解[M].北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2019.[17]蔣曉.AutoCAD2009中文版機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例教程與上機(jī)指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.[18]張宇，曹友強(qiáng)，洪賢軍，張秋穎.電動轎車電池箱體輕量化研究[J].現(xiàn)代制造工程.2014(1):38-41.[19]KulekciMK.Magnesiumanditsalloysapplicationsinautomotiveindustry[J].Int’lJAdvManuTech,2008,39(9):851-865.[20]MerkleinM，GeigerM．Newmaterialsandproductiontechnologiesforinnovativelightweightconstructions[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology，2002(126):532-536．[21]張曉紅，周鋒，馮奇，何健.車用動力電池碳纖維箱體的設(shè)計(jì)研究[J].上海汽車，2014-09：60-62[22]TamakiY．Researchintoachievinga