基于OptiStruct的蓄电池支架模态频率优化

基于OptiStruct的蓄电池支架模态频率优化Modal Frequency Optimization of Battery Bracket
Based on OptiStruct
苏辰霍俊焱崔新涛
（天津一汽夏利股份有限公司产品开发中心天津300462）
摘要：某车型子系统模态计算中发现蓄电池支架第一阶模态的频率过低，没有达到设定的目标值，这会导致行驶时支架易发生大幅度振动。

为了提高频率，先通过分析振型优化支架结构，之后使用OptiStruct对其进行形貌优化（topography）。

最终蓄电池支架一阶模态的频率达到目标值。

关键字：蓄电池支架模态优化OptiStruct
Abstract：When calculating a vehicle subsystem mode, it was found that the frequency of the battery bracket first mode was too low and did not reach the target value. It's very easy to cause the bracket to vibrate acutely. In order to improve the frequency, the modal shape is analyzed to optimize the bracket, then OptiStruct topography optimization is used. Finally, the frequency of the bracket first mode reached the target value.
Keyword：Battery bracket, Mode, Optimization, OptiStruct
1 概述
某车型开发设计阶段，发现蓄电池支架第一阶模态的频率没有达到设定的目标值。

这会引起很多问题，例如在行驶时车内噪音过大、支架容易发生振动甚至开裂等。

因此需要对蓄电池支架进行优化使其一阶模态的频率达到设定目标。

本文应用OptiStruct对蓄电池支架进行了两次优化。

第一次优化方法是通过分析蓄电池支架振型，在薄弱处增加支撑来提高蓄电池支架第一阶模态频率，第二次优化在第一次优化基础上进行形貌优化，并根据实际情况做相应调整得到最终优化方案。

最终蓄电池支架一阶模态的频率显著提高，达到目标值。

2 蓄电池-支架系统有限元模型建模
为了减少计算时间，对计算模型进行了简化，只截取蓄电池支架以及和蓄电池支架相连的部分车身进行模态计算。

钣金件采用壳单元模拟，焊点采用ACM模拟，焊缝采用CWELD模拟，螺栓和卡扣用RBE2单元模拟。

蓄电池用集中质量代替，并与支架用RBE3单元相连结。

约束车身断面节点的所有自由度，最终有限元模型如图1所示。

蓄电池支架截取模型
图1 蓄电池-支架系统有限元模型
3 模态计算与优化
经计算得到模型第一阶模态的频率为32.53Hz，位移云图如图2所示。

第一阶模态未达到设定目标需要优化。

通过观察振型发现蓄电池托板靠近车身侧的一处明显向下塌陷刚度不足，如图3所示。

对此提出以下改进方案：托板塌陷处增加一个向下凹的螺栓孔，下方增加一个支架，支架与托板螺栓连接，与悬置支架焊接，如图4所示。

改进后，蓄电池支架第一阶模态提升到41.58Hz，位移云图如图5所示。

图2 第一阶模态位移云图图3 支架振型
图4 优化后的结构图5 支架第一阶模态位移云图
4 基于形貌优化方法的蓄电池支架优化
第一次优化后，蓄电池支架第一阶模态频率明显提高，但仍未达到目标值。

考虑到托板和支撑较平滑，可采用OptiStruct提供的形貌优化功能进一步优化。

形貌优化是在薄板结构上，寻求加强筋最佳布置的概念设计方法。

用户需定义优化区域，响应与目标。

OptiStruct 首先将优化区域划成形状变量，之后进行迭代计算，分析对响应的影响，直到最靠近目标时停止。

形状变量的参数可以根据需要定义，例如最小筋宽、最大深度、起筋角等。

形状变量是圆形的，以近似的六边形分布在设计区域上，每个形状变量有一个圆形的中心区域，圆的直径等于最小筋宽。

在这个区域上组成扰动，以防止构成小于最小筋宽的加强筋。

形貌变量中心区域以外的网格以距离最近的变量的平均值扰动，以保证相邻变量间的平滑过渡。

如果相邻的两个变量全在扰动，则两个变量间的所有节点将全部扰动；如果一个变量在扰动，而另一个变量无扰动，则两个变量间的节点将形成一个平滑的斜线连接，斜线的角度等于起筋角。

本文选定优化区域为图6所示的粉色部分，设置响应为一阶模态的频率，目标是频率最大。

托板上方需要安装蓄电池，所以加强筋只能向下凹。

将单元法向调为向下，draw direction选择normal to element，upper bound=1，lower bound=0，这样得到的加强筋就会沿着单元的法线正方向。

图6 优化区域
OptiStruct形貌优化的结果如图7所示。

图7 形貌优化结果
OptiStruct形貌优化的结果给优化设计提供了可靠的依据，考虑到干涉、制造工艺等因素，最终优化方案如图8所示。

经计算最终优化方案蓄电池支架第一阶模态频率45.11Hz，达到设定目标。

图8 最终方案
5 结论
本文通过分析蓄电池支架第一阶模态振型找出结构薄弱点，在薄弱点增加支撑，提高了其第一阶模态的频率。

之后在OptiStruct的形貌优化基础上，考虑工艺与干涉等问题，提出了最终方案。

通过两次优化，蓄电池支架第一阶模态的频率达到目标值。

利用OptiStruct的形貌优化功能，能够快速、高效地设计出符合要求的结构，极大降低了劳动强度，使用该功能可以缩短开发周期，节约开发成本。

6 参考文献
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[2] 常青梅，张松波.乘用车蓄电池支架振动特性优化分析.北京：Altair 2011 HyperWorks 技术大会
论文集，2011：64。