一种基于Optistruct的电池包箱体优化设计方法

本发明涉及新能源汽车电池包结构优化设计领域，特别是涉及一种基于optistruct的电池包箱体优化设计方法。

背景技术：

1、动力电池包通常布置在车辆底盘附近，电池包箱体既承担电池模组安装载体的作用，也承担路面激励、制动载荷、转弯载荷和底部冲击载荷下的结构防护作用。现有研发中，电池包箱体的结构校核多采用有限元分析方法完成，通过设置制动、颠簸、急转弯等工况，分析箱体上盖、下箱体底板、模组安装座和侧板区域的位移、应力及模态响应。例如现有文献《基于optistruct的电池包箱体优化设计》（《吉林化工学院学报》，2020年第37卷第9期）中，基于ansys workbench对电池包箱体进行静、动态有限元分析，并以optistruct完成上盖形貌优化和下箱体复合材料优化设计；该文献记载，车辆路面不平度会使电池包承受振动激励，电池箱作为动力电池系统的载体，对抗振性、耐久性和连接可靠性具有直接影响。

2、在结构优化设计中，现有方法通常先通过有限元分析确定箱体薄弱位置，再采用拓扑优化、形貌优化、尺寸优化或复合材料铺层优化对局部结构进行加强。上述文献中，针对箱体上盖刚度不足的问题，通过optistruct形貌优化获得矩形凸包和e型凸包的布局及几何参数，并针对下箱体强度和轻量化需求进行了复合材料铺层厚度优化。现有文献中，在《纯电动汽车电池包箱体结构优化设计》中也以某车型电池包箱体为对象，根据紧急制动、颠簸路面与急转弯耦合工况下的应力和位移分析结果，采用optistruct求解器进行底部承载梁拓扑优化、箱体上盖形貌优化和薄壁件尺寸优化，并根据优化结果完成箱体几何重构。

3、但是，现有optistruct电池包箱体优化方法通常以优化前暴露出的最大变形区域、最大应力区域或低阶固有频率不足区域作为主要设计依据，优化完成后多以最大位移、最大等效应力、重量和一阶固有频率是否达标作为评价结果。上述文献中，优化后箱体最大变形量、最大等效应力和一阶固有频率均得到改善，但该文献同时记载，优化后箱体前五阶共振区域仍发生在上盖，从第六阶开始箱体振动形式由上箱盖转移到下箱体前后两侧。该现象说明，一次优化提高原薄弱区域刚度后，箱体的振动主导区域可能发生迁移。现有方法未将该振型迁移区域作为新的设计域进行识别和二次约束优化，容易使优化后的箱体在较高阶模态或局部连接过渡区域形成新的动态薄弱位置，进而影响电池包箱体在复杂路面激励下的长期结构可靠性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于optistruct的电池包箱体优化设计方法，通过在一次结构优化后识别初始薄弱区域外形成振动集中的箱体分区，并将该箱体分区及相邻连接过渡区纳入二次优化设计域，能够针对优化后产生的振型迁移薄弱区修正电池包箱体结构设计参数，减少局部振动集中延续到最终设计参数中的风险。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于optistruct的电池包箱体优化设计方法，包括：

4、获取电池包箱体的初始有限元模型，按箱体结构部位划分箱体分区，并根据初始有限元模型的结构响应确定初始薄弱区域；

5、以初始薄弱区域为一次优化对象，通过optistruct对电池包箱体进行结构优化，得到第一优化箱体模型；

6、对第一优化箱体模型进行模态校核，获得各箱体分区的优化后模态分布；

7、根据优化后模态分布，将位于初始薄弱区域以外且形成振动集中的箱体分区确定为振型迁移薄弱区；

8、以振型迁移薄弱区以及与振型迁移薄弱区连接的相邻连接过渡区为二次优化设计域，通过optistruct对二次优化设计域进行局部结构优化，得到第二优化箱体模型；

9、根据第二优化箱体模型确定电池包箱体的结构设计参数。

10、优选地，按箱体结构部位划分箱体分区，包括：

11、将电池包箱体划分为箱体上盖分区、下箱体底板分区、下箱体侧板分区和模组安装座分区；

12、为各箱体分区设置分区标识；

13、使分区标识在初始有限元模型、第一优化箱体模型和第二优化箱体模型中对应同一箱体结构部位。

14、优选地，根据初始有限元模型的结构响应确定初始薄弱区域，包括：

15、按各箱体分区获取结构响应中的应力集中结果、位移集中结果和低阶振型集中结果；

16、将存在应力集中结果、位移集中结果或低阶振型集中结果的箱体分区确定为候选薄弱分区；

17、将相互连接且属于同一承载传递路径的候选薄弱分区合并为初始薄弱区域。

18、优选地，以初始薄弱区域为一次优化对象，通过optistruct对电池包箱体进行结构优化，得到第一优化箱体模型，包括：

19、根据初始薄弱区域所在的箱体结构部位，在optistruct中确定一次优化设计域；

20、对位于箱体上盖的一次优化设计域进行形貌优化，得到上盖局部加强结构；

21、对位于下箱体的一次优化设计域进行尺寸优化、铺层优化或局部加强优化，得到下箱体局部承载结构；

22、根据上盖局部加强结构、下箱体局部承载结构中的至少一种，得到第一优化箱体模型。

23、优选地，对第一优化箱体模型进行模态校核，获得各箱体分区的优化后模态分布，包括：

24、对第一优化箱体模型进行多阶模态分析，得到各阶振型；

25、按照各箱体分区识别各振型中的振动集中位置和振动变形方向；

26、将振动集中位置和振动变形方向与对应的箱体分区关联，形成优化后模态分布。

27、优选地，根据优化后模态分布，将位于初始薄弱区域以外且形成振动集中的箱体分区确定为振型迁移薄弱区，包括：

28、从各箱体分区中剔除属于初始薄弱区域的箱体分区；

29、根据优化后模态分布，确定剩余的箱体分区中具有局部振型变形连续分布的箱体分区；

30、将具有局部振型变形连续分布的箱体分区作为形成振动集中的箱体分区，并确定为振型迁移薄弱区。

31、优选地，以振型迁移薄弱区以及与振型迁移薄弱区连接的相邻连接过渡区为二次优化设计域，包括：

32、确定振型迁移薄弱区与相邻箱体分区之间的连接边界；

33、根据连接边界，将承受振型迁移薄弱区的振型变形传递的侧板过渡区、底板过渡区和安装座邻近区中的至少一种确定为相邻连接过渡区；

34、将振型迁移薄弱区和相邻连接过渡区确定为二次优化设计域。

35、优选地，通过optistruct对二次优化设计域进行局部结构优化，得到第二优化箱体模型，包括：

36、在optistruct中将二次优化设计域设置为局部优化区域；

37、以削弱二次优化设计域的振动集中并保持相邻连接过渡区的刚度过渡为优化约束，对二次优化设计域的局部结构优化参数进行更新，局部结构优化参数包括局部板厚参数、局部铺层参数和局部加强结构参数中的至少一种；

38、以更新后的二次优化设计域替代第一优化箱体模型中的对应区域，得到第二优化箱体模型。

39、优选地，根据第二优化箱体模型，确定电池包箱体的结构设计参数，包括：

40、获取第二优化箱体模型中的箱体上盖结构参数、下箱体结构参数和二次优化设计域结构参数；

41、将箱体上盖结构参数、下箱体结构参数和二次优化设计域结构参数按箱体结构部位进行整理；

42、根据整理结果确定电池包箱体的结构设计参数，电池包箱体的结构设计参数包括局部加强结构布置参数、板厚分布参数、铺层分布参数和连接过渡区参数中的至少一种。

43、优选地，根据第二优化箱体模型，确定电池包箱体的结构设计参数，还包括：

44、对第二优化箱体模型进行结构响应复核，得到复核结构响应；

45、当复核结构响应中存在位于二次优化设计域以外且形成振动集中的箱体分区时，将箱体分区更新为新的振型迁移薄弱区，并重新确定二次优化设计域；

46、当复核结构响应中不存在位于二次优化设计域以外且形成振动集中的箱体分区时，根据第二优化箱体模型确定电池包箱体的结构设计参数。

47、本发明公开了以下有益效果：

48、（1）本发明在获取电池包箱体的初始有限元模型后，先按箱体结构部位划分箱体分区，并根据所述初始有限元模型的结构响应确定初始薄弱区域。由此，箱体上盖、下箱体底板、侧板、安装座等不同结构部位不再混在同一整体评价结果中判断，后续一次优化对象具有明确的结构位置来源，可以避免仅依据整箱最大应力点或最大位移点进行局部加强时出现优化位置偏移的问题。

49、（2）本发明以所述初始薄弱区域为一次优化对象，通过optistruct对所述电池包箱体进行结构优化，得到第一优化箱体模型。该处理没有把全部箱体区域直接作为同等优化对象，而是先围绕已经由结构响应暴露出的薄弱部位进行一次优化，能够保留原电池包箱体中已经满足承载要求的区域，减少对非薄弱区域的无必要改动，并为后续模态校核提供一个经过初步刚度和强度调整的箱体模型。

50、（3）本发明在得到第一优化箱体模型后，继续对所述第一优化箱体模型进行模态校核，获得各所述箱体分区的优化后模态分布。该步骤对应背景技术中一次优化后振动位置可能从原薄弱区域转向其他结构部位的问题，能够把优化后的振动集中位置重新落到具体箱体分区中，而不是仅以一阶固有频率是否达到设定要求作为优化结束依据。由此，优化后模态变化能够进入后续设计判断过程。

51、（4）本发明根据所述优化后模态分布，将位于所述初始薄弱区域以外且形成振动集中的箱体分区确定为振型迁移薄弱区。该限定将原薄弱区域加强后产生的新振动集中部位从普通模态结果中单独识别出来，能够区分一次优化前已经存在的薄弱区域和一次优化后新出现的振动集中区域。对于电池包箱体这类薄板件组合结构，上盖、侧板、底板和连接过渡处之间存在刚度重新分配关系，该识别方式能够针对刚度调整后的振型迁移现象形成明确的二次处理对象。

52、（5）本发明以所述振型迁移薄弱区以及与所述振型迁移薄弱区连接的相邻连接过渡区为二次优化设计域，通过optistruct对所述二次优化设计域进行局部结构优化，得到第二优化箱体模型，并根据所述第二优化箱体模型确定电池包箱体的结构设计参数。二次优化对象不仅包括振动集中的箱体分区，还包括与该箱体分区连接的相邻连接过渡区，可以减少仅在振动集中区域内局部加厚或局部加强而导致连接处刚度突变的风险。与一次优化后直接确定设计参数相比，本发明能够在不重新扩大到整箱优化范围的情况下，对优化后暴露出的振型迁移薄弱区进行补充修正，使最终确定的结构设计参数同时对应初始薄弱区域和优化后迁移形成的薄弱区域。