基于修正S-N曲線的電池包支架疲勞仿真影響因素分析研究

閆鵬飛

(一汽豐田技術開發有限公司 天津300462)

0 引 言

車輛性能開發過程包含安全性能開發、強度性能開發、NV 性能開發、CFD性能開發等，因與車輛的品質息息相關，直接影響到品牌在市場上的核心競爭力，所以各大廠商都十分注重這些方面的研發與品質管理。同時，車輛的疲勞性能直接體現該品牌車輛在市場上的行駛里程，這是用戶非常關心的品質參數，因而在車輛研發過程中，準確地判斷車輛的疲勞性能顯得尤為重要[1]。

本文結合一汽豐田某款純電動客車的電池包支架搭載的疲勞仿真開發為例，從 S-N曲線角度研究影響車輛疲勞性能的參數。S-N曲線是評價車輛疲勞性能不可避免的最主要的影響因素[2]，若缺少材料的S-N曲線，將很難對車輛的疲勞性能做出判斷。本文針對 S-N曲線方面展開研究，為車輛疲勞性能的仿真開發提供參考。

1 電池包支架仿真中S-N曲線的修正

1.1 S-N曲線

我們通常所說的材料的 S-N曲線是使用光滑試棒做成的標準件，在拉壓彎扭作用下的疲勞壽命表示曲線，如圖1所示。

圖1 材料S-N曲線示意圖Fig.1 Diagram of material S-N curve

1.2 修正S-N曲線模型

一般汽車零部件都是經過相應的加工精度和熱處理工藝的部品，其結構也都不盡相同，因此僅僅使用材料試棒的 S-N曲線進行疲勞仿真分析，與真實的情況存在較大出入。為了提高仿真分析精度，通常的做法是會對材料的 S-N曲線進行修正。對 S-N曲線修正的方法通常有 2種，第 1種是基于 Miner Modified準則，即在疲勞極限以下的部分按照斜率為2k-1進行修正；第 2種是基于 Miner Elementary準則，即在疲勞極限以下的部分按照原斜率 k進行延伸，如圖2所示。

圖2 不同修正方法的S-N曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of S-N curve with different correction methods

2 基于 S-N曲線的某電池包支架疲勞強度仿真分析比較

根據從北京通縣采集的路譜數據，結合企業開發目標公里數進行數據處理，在本次仿真分析中，通過企業標準進行數據轉換，最后給電池包一個振動載荷譜，用于疲勞仿真計算，將有限元計算結果與 S-N曲線進行比較，根據其對應的循環次數及目標值循環次數，得到其損傷值(d1)，計算方法如圖3所示。

圖3 損傷值計算示意圖Fig.3 Diagram of damage value calculation

其中，Damage(d1)值是根據 Miner準則來計算的有限元模型的損傷值[3]，本文所述的不同修正方法的S-N曲線為變量，其余均為相同的設置參數。

2.1 基于Minner-Original的S-N曲線疲勞仿真結果

通過對該電池包局部模型的有限元分析，支架安裝點區域的Z方向的有限元應力結果如圖4所示。

圖4 電池包支架計算應力圖Fig.4 Calculation stress diagram of battery pack bracket

本次研究主要關注點在螺栓連接部位。因為螺栓的剛度較大，并且采用了凸焊螺母的形式，為了便于后期電池包的維修，又必須是可拆卸部品，所以螺栓安裝點的疲勞強度性能直接關系到該電動車的品質和今后在用戶處的口碑。以圖中某一個螺栓安裝點為例進行研究分析，將局部應力結果放大后如圖 5所示。

圖5 螺栓孔應力圖Fig.5 Diagram of bolt hole stress

該螺栓孔處的應力值 σ1= 2 02MPa，結合材料的基于 Minner-Original的 S-N曲線，計算出其疲勞壽命，循環次數n1=6.1萬次。我們的 S-N曲線對應的目標循環次數為 10萬次，因此其損傷值0.61。接下來我們進行基于修正的 S-N曲線的損傷值計算。

2.2 基于 Minner-Elementary修正的 S-N曲線疲勞仿真結果

通常由于加工工藝等因素的影響，在疲勞仿真分析中會進行 S-N曲線的修正，雖然精度會有所提升，計算時間和工作量也會相應增加。為了便于研究其修正 S-N曲線對于分析結果的影響趨勢，本文以基于Minner-Elementary修正的S-N曲線方法為例進行說明。將模型導入到FEMFAT軟件中進行計算，計算參數為與2.1同樣的應力幅值(Stress Amplitude)和循環次數(N)，計算模型如圖6所示。

圖6 損傷值計算模型圖Fig.6 Diagram of damage value calculation model

S-N曲線進行修正前后對比如圖7所示。

圖7 S-N曲線修正前后對比圖Fig.7 Comparison before and after S-N curve correction

前與上述修正相應，Haigh圖也會進行相對應的修正，其修正后對比如圖8所示。

圖8 修正前后Haigh圖Fig.8 Haigh diagram before and after correction

通過對與 2.1同一位置的螺栓孔處的損傷值進行分析可知，螺栓孔附近的最大損傷值的位置，與2.1計算的結果保持一致，結果如圖 9所示。該損傷值最大的節點載荷和損傷值結果見圖10。

該支架基于Minner-Elementary修正的S-N曲線損傷值的實際循環次數n2=6.1萬次，保持不變，其損傷值計算結果為萬次。那么可以看出，材料 S-N曲線經過修正后，再次計算時修正后的危險點的可循環次數[N]會增大，其損傷值則有一定幅度的降低。

圖9 螺栓孔損傷值分布圖Fig.9 Distribution of bolt hole damage value

圖10 載荷和損傷值結果圖Fig.10 Result chart of load and damage value

2.3 結果比較分析

首先以與 2.2同樣的方法計算出該支架基于Miner-Modified修正的S-N曲線的損傷值結果、循環次數結果，然后對比 3種分析方法的結果，得到其差異情況如圖11所示。

圖11 損傷值結果對比圖Fig.11 Comparison of damage value results

其中，對 S-N曲線的k值修正最大的 S-N曲線的損傷值結果與材料未經修正的損傷值結果相比有下降趨勢，下降幅度約為 14.8%，而修正幅度較小的基于Miner-Modified修正的S-N曲線的損傷值結果也同樣有下降趨勢，下降幅度約為 9.8%，與理論預期結果相同，符合真實情況。這表明，企業可以根據不同的情況進行 S-N曲線的修正，結合加工工藝、企業安全系數等相關因素進行疲勞仿真分析。

3 結論及展望

①通過對疲勞仿真分析中最根本的影響因素 SN曲線的修正影響進行分析，定性驗證了影響趨勢與理論認知的一致性，為今后的疲勞仿真開發評價提供參考。

②下一步可以針對多點、多模型等大量的疲勞仿真分析數據結果進行分析研究，在明確分析精度的前提下，從提高分析影響因素的統計學研究層面進行驗證研究。