來源:3DSCIENCEVALLEY 作者:3DSCIENCEVALLEY 時間:2024-07-16 16:38:15 已閱:0次
當(dāng)下,,消費者最為關(guān)切的乃是如何購置具備強勁續(xù)航能力且價格合理的電動汽車。輕量化結(jié)構(gòu)是延長續(xù)航里程,、降低成本頗為有效的辦法之一,,針對新能源汽車電池支架運用3D打印技術(shù)實施輕量化設(shè)計優(yōu)化,其重要性不言而喻,。
根據(jù)公安部交通管理局的統(tǒng)計數(shù)據(jù),,截至 2023 年底,全國新能源汽車保有量達到 2041 萬輛,,占汽車總量的 6.07%,。僅在 2023 年,就有743 萬輛新能源汽車登記注冊,,同比顯著增長 38.76%,。
電池支架作為承載并保護動力電池的主要構(gòu)件,具備電池系統(tǒng)支撐,、散熱,、防撞、防底部接觸等重要功能,。它在新能源汽車中屬于最為重要的大型部件,,在電池組系統(tǒng)里占據(jù)關(guān)鍵地位。目前,,企業(yè)所使用的鋁合金電池支架,,存在重量大、成本高的嚴峻問題,。再者,,這些電池支架需承受重載。然而,,鋁合金的疲勞性能僅為鋼的一半,,其彈性模量僅為鋼的三分之一,所以在設(shè)計層面存在很大的優(yōu)化空間,。
▲3D Systems先進的生成式設(shè)計和拓撲優(yōu)化軟件,,工程師可以設(shè)計具有有機幾何形狀的支架、連接器和其他部件,。
伴隨電池組能量密度的市場需求逐步提升,,尤其是在新能源純電動汽車的情境下,車輛總質(zhì)量降低 10%,,電力消耗就會降低 5.5%,,續(xù)航里程則增加 5.5%,因此我們對于電池組支架開展更多輕量化設(shè)計優(yōu)化的需求愈發(fā)迫切。
3D打印技術(shù)涉及到運用專門的軟件對三維模型實施切片分層,,生成橫截面數(shù)據(jù),,而后將其輸入快速成型設(shè)備。這項技術(shù)采用逐層制造的方法來制造實體部件,。鑒于這種增材制造手段,,3D打印能夠高效地生產(chǎn)近乎任何幾何形狀的部件。其優(yōu)勢涵蓋能夠處置單件或小批量生產(chǎn),、適應(yīng)復(fù)雜的幾何構(gòu)造,,并實現(xiàn)密集的部件組織。憑借3D打印技術(shù)的上述優(yōu)勢,,其在新能源電動汽車電池組支架開發(fā)中的應(yīng)用,,對于加快開發(fā)周期以及降低相關(guān)成本具備極大的潛力。
周口師范學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院的張國慶博士在Scientific reports期刊發(fā)表了《Optimization design of battery bracket for new energy vehicles based on 3D printing technology》,,在3D打印技術(shù)助力下,,探究了新能源電動汽車電池組系統(tǒng)的性能強化潛能。
▲論文鏈接:
www.nature.com/articles/s41598-024-64393-x
l 設(shè)計方法
電池組支架的輕量化策略主要包含輕質(zhì)材料的應(yīng)用以及輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的施行,,電池組支架的輕質(zhì)材料應(yīng)用涵蓋鋁合金,、高強度鋼以及復(fù)合材料的采用。在眾多選擇里,,鑒于鋁合金材料的輕質(zhì)特質(zhì),,其成為主流之選。針對于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計,,例如碰撞減震,、散熱、防水,、防塵以及絕緣等方面的要素務(wù)必予以考量,,尤其是在下支架設(shè)計方面。就國內(nèi)純電動汽車而言,,輕量化設(shè)計通常涉及降低支架底部的厚度,,同時在支架下方融入輕質(zhì)孔洞來達到預(yù)期效果,,拓撲優(yōu)化設(shè)計正是基于上述原則,。
l 制造和分析方法
由于此設(shè)計旨在開發(fā)高性能的輕量化電池支架產(chǎn)品,因此在產(chǎn)品開發(fā)階段屬于小批量零件生產(chǎn)的范疇,。傳統(tǒng)的制造方法,,如機械加工、鑄造和焊接會極大提高成本,,主要依靠3D打印來制造這類復(fù)雜零件,。為此,使用了聯(lián)泰科技的Lite600工業(yè)高精度3D打印機。
3D打印的支架,、外殼和輕量化電池支架需要先表面處理,,進行支撐去除,接著用砂紙進行粗拋光,,最后用拋光布進行拋光,。表面處理過程完成后,將完成的電池組系統(tǒng)組件進行組裝以驗證配合度,。
l 電動汽車下電池托架的強度分析
為便于分析,,將設(shè)計的下支架模型按比例縮小 0.2 倍。采用 Inspire 軟件對下支架進行強度分析,。具體的模擬參數(shù)如下:導(dǎo)入零件后,,單位設(shè)置為毫米、千克,、牛頓和秒,,分析材料為鋁合金Al 6061。由于電池支架上的力主要來源于電池,,并且此模型中電池的重量約為 100 千克,,因此確保電池安裝的可靠性十分重要。
因此需要系統(tǒng)且全面地研究電池支架在諸如顛簸道路和急轉(zhuǎn)彎等典型工作條件下的受力情況和變形情況,。為了模擬電池支架在顛簸道路條件下的承載能力,,在支架底面(Z 軸方向)垂直施加5倍電池重力的表面載荷??紤]到模型按比例縮小,,該載荷約為 980 牛頓。固定孔被約束,,并選擇“更準確”的計算速度/精度進行單載荷分析,,同時將分析單元尺寸設(shè)置為 5 毫米。
基于前期所述的分析參數(shù)設(shè)定,,將下電池托盤支架的初始模型導(dǎo)入 Altair Inspire 軟件開展初始強度分析,。經(jīng)觀察可知,下托盤支架的最大位移為1.62 毫米,,依據(jù)位移分布規(guī)律,,最大位移出現(xiàn)在電池支架的中心部位。最大米塞斯等效應(yīng)力為 182.90MPa,,體現(xiàn)出存在一些不均勻的應(yīng)力分布狀況,,最高應(yīng)力主要集中在電池支架向上折疊的凸耳部分。此外,,最小安全系數(shù)大于 1.3,,測定的質(zhì)量值為 0.685 千克,,彈性模量為 1.11 MPa,以上各項均滿足設(shè)計強度標(biāo)準,。鑒于安全系數(shù)與彈性模量,,在質(zhì)量減輕方面依舊存在顯著潛力。
▲電池載體的受力分析結(jié)果:(a)位移云圖,;(b)應(yīng)力云圖,;(c)安全系數(shù)。
l 下電池托架的拓撲優(yōu)化設(shè)計分析
為拓展新能源汽車電池托盤下支架的設(shè)計潛力,,于開展拓撲優(yōu)化設(shè)計之前,,預(yù)先對電池托盤下支架的輕質(zhì)孔進行填充可謂至關(guān)重要。在拓撲優(yōu)化改良前后,,為下托盤支架設(shè)定相同的力分析參數(shù),。在 Altair Inspire 軟件里,將電池托盤除固定孔以外的部分指定為設(shè)計空間,,于圖4 中以紅色凸顯,,其余部分視作非設(shè)計空間,于(a)中以灰色展現(xiàn),。為達成最優(yōu)的拓撲優(yōu)化成果,,對電池托盤部分實施了形狀控制。鑒于該模型的形狀特性,,設(shè)置了對稱 + 單向拉出約束,。優(yōu)化目標(biāo)確立為最大化剛度,質(zhì)量指標(biāo)為 30% ,,優(yōu)化的厚度限制為5毫米,。
▲拓撲優(yōu)化參數(shù)設(shè)置:(a)填充模型;(b)負載和約束設(shè)置,。
鋁合金電池下托盤支架的拓撲優(yōu)化結(jié)果于如下圖呈現(xiàn),,從中可觀察到托盤在拓撲優(yōu)化后展現(xiàn)出樹枝狀結(jié)構(gòu),諸多區(qū)域依舊未相連,。即便通過調(diào)整平滑結(jié)果滑塊嘗試對這些缺陷予以優(yōu)化,,卻發(fā)現(xiàn)毫無成效,以致難以執(zhí)行 PolyNURBS 擬合,。再者,,鑒于模型本身所固有的復(fù)雜性,手動重建亦不可行,。正因如此,,怎樣在保證新能源電動汽車電池組托盤的可加工性之時,,切實化解與拓撲優(yōu)化后模型重建相關(guān)的挑戰(zhàn),,依然是當(dāng)前新能源電動汽車電池組托盤輕量化設(shè)計的一個阻礙,。
▲電池托盤拓撲優(yōu)化結(jié)果:(a)調(diào)整前;(b)調(diào)整后
l 拓撲優(yōu)化部件的重建解決方案
基于對拓撲優(yōu)化后的電池托盤支架結(jié)構(gòu)的進一步分析,,托盤支架呈現(xiàn)為樹枝狀形態(tài),,枝干相互交織。傳統(tǒng)的逆向重建方法被證明無法取得理想的重建效果,。在此研究基礎(chǔ)上,,相應(yīng)地提出了一種基于圖像的逆向重建方法。該方法包括將拓撲優(yōu)化后的模型導(dǎo)出為圖像,,并在其他 3D 軟件中運用切割技術(shù)去除枝干,,保留主干。這種方法以實現(xiàn)拓撲優(yōu)化模型的可加工性,,并在必要時允許重新設(shè)計,。
為驗證該方法的有效性及可行性,將導(dǎo)出的圖像和模型同時導(dǎo)入 3D 建模軟件 Rhino 6 中進行劃線和切割,。隨后通過布爾運算進行切割,,由此可以了解到重建的電池支架結(jié)構(gòu)清晰。支架的下部能夠通過沖壓制造,,而凸耳可以通過銑削或沖壓生產(chǎn),。可以使用焊接將支架和凸耳連接起來,,以符合企業(yè)要求并實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),。
▲拓撲優(yōu)化模型的重構(gòu):(a)圖像和模型的導(dǎo)入;(b)切割線的劃分,;(c)重構(gòu)效果,。
l 拓撲優(yōu)化模型的 RecStrength 校準
為便于分析,電池托盤支架的重建模型以 0.2 倍比例縮小,。運用 Inspire 軟件對電池托盤支架進行強度分析的拓撲優(yōu)化,。具體的模擬參數(shù)包括:在導(dǎo)入部件后將單位設(shè)定為毫米、千克,、牛,、秒,并選取鋁合金 Al 6061 作為分析材料,。作用于電池托盤支架的力主要源自電池,,于模型中預(yù)估其重量為100 千克。為確保電池安裝的可靠性,,有必要深入探究電池托盤支架在典型工況(如顛簸道路和急轉(zhuǎn)彎)下的受力和變形情形,。
為模擬電池托盤支架在顛簸道路條件下的承載狀況,在托盤底面(Z 軸方向)垂直施加相當(dāng)于電池重力 5 倍的面載荷,。鑒于模型的縮放系數(shù)為 0.2,,該載荷約為 980 牛,。載荷于固定孔處受到約束,將計算速度/精度設(shè)置為“更準確”,,并選擇工作條件為單載荷條件分析,。
此外,最大米塞斯等效力矩的測量值達 240.7 MPa,,相比未開展拓撲優(yōu)化之時有所提升,。不過,底部的分布更為均勻,。將最小安全系數(shù)設(shè)定為 1,,符合設(shè)計要求。歷經(jīng)拓撲優(yōu)化后,,支架的質(zhì)量記為 0.348 kg,,顯著低于未優(yōu)化前的 0.656 kg,降幅達 50.8%,。需要留意的是,,在縮放前,支架的初始質(zhì)量為 85.63 kg,,優(yōu)化后減少了 50.8%,,這表明支架的質(zhì)量減輕了 42.07 kg。模量的測量值為 0.75 MPa,,相較于未優(yōu)化前下降了 67.6%,。電池托盤底部的拓撲優(yōu)化設(shè)計意在保證強度與安全性能的基礎(chǔ)上降低整體質(zhì)量,同時保證制造成本處于合理范疇,,進而在安全和經(jīng)濟考量之間達成平衡,。
▲電池載體的受力分析結(jié)果:(a)位移云圖;(b)應(yīng)力云圖,;(c)安全系數(shù),。
l 拓撲優(yōu)化模型的裝配分析
在裝配過程中,首先借助 Altair Inspire 軟件將幾何重建模型導(dǎo)出為“.stp 格式”,。而后,,把重建模型導(dǎo)入 Rhino 6 軟件,在其中用優(yōu)化后的電池托盤支架替換原始模型的下托盤支架進行裝配,。在進行全面檢查裝配沖突后,,確認各結(jié)構(gòu)之間不存在沖突。固定支架能通過焊接與電池下托盤支架無縫銜接,。另外,,電池托盤支架可通過沖壓實現(xiàn)批量生產(chǎn)。這種制造方法不但滿足企業(yè)對可焊性,、耐腐蝕性以及抗沖擊性的要求,,還契合自動化和大規(guī)模生產(chǎn)的需要,。
l 3D打印部件的數(shù)據(jù)處理
在一定程度上講,,于零件加工里運用3D打印技術(shù)能夠顯著地縮減產(chǎn)品開發(fā)周期,并且降低相關(guān)成本,。在 3D打印流程中,,用于放置零件以及添加支撐的各類方法會引發(fā)各異數(shù)量的支撐和成型層厚度,這或許會對零件生產(chǎn)的質(zhì)量與效率形成直接作用,。更為關(guān)鍵的是,,電池包系統(tǒng)零件最初被導(dǎo)入至 Materialise Magics 22 軟件之中。具體而言,,成型零件與基板間的角度設(shè)定為75°,,用于盡可能削減特別是在上托盤、下支架和下托盤支架的內(nèi)部等重要區(qū)域過度添加支撐的需求,。
對下圖中a,、b 加以觀察,可以發(fā)覺3D打印完畢后電池包托盤和支架組件的表面光亮,,而且粗糙度較低,。確切而言,表面未呈現(xiàn)顯著的懸垂熔渣,。此外,,不存在明顯的翹曲或變形缺陷。雖說在固定孔等部分區(qū)域增添了一些支撐,,或許會對表面光潔度產(chǎn)生一定輕微影響,。但仍處于可接納范圍內(nèi)。其后,,把成品零件自基板上拆卸下來,,同時開展諸如去除支撐、拋光,、打磨,、去除表面毛刺以及用酒精清潔等后續(xù)處理任務(wù)來達成最終的零件模型。
▲3D打印電池包裝分析:(a)上托盤,;(b)下托盤,;(c)下托盤支架;(d)整體組裝效果,。
如圖中c,、d 所呈現(xiàn)的組裝完成的 3D 打印電池包托盤和支架明確顯示,上述兩部分彼此緊密貼合,,這兩部分之間不存在顯著的裝配矛盾,。該觀察結(jié)果表明,,所設(shè)計零件的尺寸精確性和對齊程度符合規(guī)定要求。
(1)拓撲優(yōu)化后的電池托盤支架最大位移為 3.20 毫米,,高于拓撲優(yōu)化前的情況,。不過,其改善程度未達預(yù)期理想水平,。最大米塞斯等效應(yīng)力為 240.7 兆帕,,較拓撲優(yōu)化前有所升高,然而該應(yīng)力在底部的分布更為均勻,。最小安全系數(shù)1 滿足設(shè)計要求,。0.348 千克的質(zhì)量相較拓撲優(yōu)化前降低49.2%。拓撲優(yōu)化后的電池支架最大位移同樣為 3.20 毫米,,低于優(yōu)化前,,降幅達 49.2%。
(2) 經(jīng)過幾何重構(gòu)的電池支架結(jié)構(gòu)明晰,。支架下部能夠借助沖壓方式制造,,而凸耳能夠通過銑削或者沖壓工藝予以生產(chǎn)??蛇\用焊接手法將支架與凸耳進行連接,,以此滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。
(3) 通過3D打印的電池包托盤和支架部件能夠形成具備超低粗糙度的光亮表面,。換而言之,,在打印表面未能觀測到顯著的渣塊、翹曲,、變形或者其他缺陷,。在進行組裝時,3D打印的電池包托盤和支架驗證件相互之間展現(xiàn)出緊密對齊的狀態(tài),,組件之間不存在顯著的裝配沖突,。
為了增強新能源電動汽車電池包系統(tǒng)的綜合性能,后續(xù)的實驗至關(guān)重要,。這類實驗或許涵蓋電池采用高性能冷卻水路的3D打印,、電池系統(tǒng)抗沖擊能力的評定以及其他相關(guān)研究。這些舉措旨在為優(yōu)化設(shè)計及量產(chǎn)高性能輕量化的電池包系統(tǒng)筑牢根基,。
文章轉(zhuǎn)載自:3D科學(xué)谷