电动汽车快换动力电池箱结构优化及轻量化设计

摘要

近年来，国家制定了一系列积极有效措施促进纯电动汽车的研发。基于传统车身平台研发纯电动汽车的方法有利于缩短开发周期，节约开发成本，得到了企业的广泛认可。而电池的电容电量问题始终阻碍纯电动汽车发展，快速换电式纯电动汽车成为企业推广纯电动汽车的首选模式。快换动力电池箱（文中简称电池箱）是纯电动汽车的重要部件，和其他汽车零部件一样，除了满足刚度强度等静态特性和模态等动态特性外，还应满足结构最优化、整体轻量化等要求。因此，对电池箱的静态、动态分析和结构优化十分有必要。
　　本文对电池箱进行三维建模并结合模型进行分析。首先，通过模型计算纯电动汽车在极限工况下行驶时电池箱受力状况，运用计算机仿真技术对电池箱进行静态分析，得到应力应变。
　　其次，应用有限元分析软件，对电池箱进行模态分析，得到前十阶模态的频率和振型图，为结构优化提供依据。
　　再次，应用优化设计理论及方法，利用形貌优化方法，以提高一阶模态频率为目标进行优化;利用拓扑优化，以应力约束为目标进行优化，得到改进方案。
　　最后，结合优化分析结果，对电池箱进行重新建模，为了得到材料类型、加强筋形式和材料厚度的最佳组合，利用正交试验对改进后的结构进行静态动态分析，得到最佳组合。以轻量化为目标进行二分法逼近试验，得到最优组合，此时材料类型选择铝合金5052-H3，厚度1.625mm，加强筋采用纵向布置。对最优组合进行静动态分析，得到应力177.9Mpa，在材料的屈服强度之内;最大位移为5.664mm，发生在电池箱底部正中央;模态为102.34Hz;质量为3.453Kg。对比结构改进前后的应力应变、模态、质量，最优组合各方面性能都满足要求，且比最佳组合质量减轻18.75％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 本文的研究背景及意义

1．2．1 纯电动汽车

1．2．2 快速换电式纯电动汽车

1．3 国内外发展水平及存在问题

1．3．1 国内外发展现状

1．3．2 换电式电池箱的研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 电池箱及快换连接器设计

2．1 电池箱的布置形式

2．1．1 电动汽车动力电池箱布置形式

2．1．2 快换式纯电动汽车电池箱布置形式

2．1．3 快速换电模式实现过程

2．2 电池箱设计

2．2．1 电池箱设计要求

2．2．2 电池箱结构设计

2．3 电池箱快换连接器设计

2．3．1 快换连接器设计要求

2．3．2 快换连接器设计策略

2．3．3 快换连接器建模

第三章 电池箱有限元模型建立

3．1 电池箱有限元方法介绍

3．1．1 有限元方法的基础理论

3．1．2 电池箱有限元模型分析过程

3．1．3 电池箱有限元分析的目标

3．2 电池箱静力学分析

3．2．1 有限元的静态特性的基础

3．2．2 电池箱静态分析

3．3 动态特性分析

3．3．1 动态分析理论

3．3．2 模态分析

第四章 电池箱结构优化设计

4．1 结构优化设计理论基础

4．1．1 结构优化设计的数学模型

4．1．2 OptiStruct数学算法基础

4．2 电池箱结构优化设计问题概述

4．2．1 电池箱结构优化设计流程

4．2．2 电池箱结构优化变量

4．3 电池箱结构优化

4．3．1 电池箱形貌优化

4．3．2 电池箱拓扑优化

第五章 电池箱轻量化设计

5．1 电池箱轻量化理论

5．1．1 轻量化的目的及途径

5．1．2 电池箱轻量化材料选定

5．2 试验设计

5．2．1 正交试验理论

5．2．2 正交试验设计

5．2．3 模型建立

5．2．4 结果分析

5．2．5 确定最佳组合

5．3 优化结果分析

5．3．1 优化结果分析

5．3．2 样件制作

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果