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廣汽｜電池包結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞加速試驗(yàn)研究

2020-04-05 23:19:45·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
作者單位：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.004引言當(dāng)前隨著環(huán)境污染壓力的加大以及國家相關(guān)政策大力扶持，各大
作者單位：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院
DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.004
引言
當(dāng)前隨著環(huán)境污染壓力的加大以及國家相關(guān)政策大力扶持，各大主機(jī)廠相繼加大力度投入電動(dòng)車研發(fā)，伴隨電動(dòng)車銷量穩(wěn)步攀升，電動(dòng)車的安全可靠性也成了關(guān)注的焦點(diǎn)，也是產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵因素，其中電池包可靠性又是其中的重中之重?；谡嚥贾煤桶踩确矫嬉蛩乜紤]，電池包大多通過螺栓固定安裝在汽車地板下方，主要承受車身傳遞的加速度沖擊，由于路面及速度等工況不確定性，因而往往選擇隨機(jī)載荷來進(jìn)行耐久考核。目前大部分車企的載荷是采用國標(biāo)或者其它行標(biāo)中的功率譜密度函數(shù)，然而通過仿真與試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供載荷工況要么過于寬松，要么過于嚴(yán)苛。如果選擇過于寬松，不利于在早期暴露結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)而為今后上市車型不良口碑埋下隱患；相反，一旦載荷工況過于嚴(yán)苛就會(huì)造成過試驗(yàn)，不但結(jié)構(gòu)失效位置和模式發(fā)生變化，且試驗(yàn)成本也相應(yīng)加大，因此有必要針對耐久試驗(yàn)規(guī)范開發(fā)出適合本公司車型的載荷工況來對電池包進(jìn)行耐久考核。
1 振動(dòng)耐久臺架試驗(yàn)實(shí)施
振動(dòng)耐久試驗(yàn)分為定頻、掃頻、隨機(jī)振動(dòng)等形式，對于電池包而言采用隨機(jī)載荷加載更加符合實(shí)際工況。試驗(yàn)設(shè)備選用電動(dòng)振動(dòng)臺，振動(dòng)臺主要根據(jù)電池包的重量及峰值加速度計(jì)算出振動(dòng)臺的最大推力確定合適型號。電池包按照實(shí)際裝車模式通過工裝固定在振動(dòng)臺，依次加載相應(yīng)的功率譜密度進(jìn)行三個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)在電池包與工裝底座關(guān)鍵安裝點(diǎn)布置加速度傳感器。振動(dòng)試驗(yàn)流程如圖1 所示：
 
2 加速疲勞試驗(yàn)原理
按振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間可以分為普通試驗(yàn)和加速試驗(yàn)。如果破壞機(jī)理是疲勞破壞，那么可以用提高應(yīng)力水平的方法來加速試驗(yàn)，大大節(jié)省振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)間。這種提高量級、縮短時(shí)間的振動(dòng)試驗(yàn)稱為加速試驗(yàn)。
加速試驗(yàn)方法主要有加快頻率、刪小量和強(qiáng)化載荷幅值?；陔姵匕Y(jié)構(gòu)特性考慮，強(qiáng)化載荷幅值更加合適。加速疲勞試驗(yàn)必須遵循兩個(gè)重要準(zhǔn)則：
（1）損傷等效；
（2）失效模式不發(fā)生變化。談到加速疲勞原理，有必要引入兩個(gè)重要概念：沖擊響應(yīng)譜SRS 和疲勞損傷譜FDS。
沖擊響應(yīng)譜也稱作極限響應(yīng)譜，它描述的是結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的峰值響應(yīng)隨頻率變化的曲線。計(jì)算原理是基于單自由度瞬態(tài)響應(yīng)分析得到各頻率下的最大響應(yīng)值，然后按頻率大小依次排序。
疲勞損傷譜是基于一段時(shí)間內(nèi)的載荷信號，通過近似傳遞函數(shù)換算得到位移響應(yīng)信號，然后經(jīng)過雨流計(jì)數(shù)和線性累積損傷計(jì)算得到一條隨頻率變化的損傷曲線，用來表征該段信號對結(jié)構(gòu)造成的損傷效果。
基于輸入加速度求出結(jié)構(gòu)損傷，然后通過損傷反算得到振動(dòng)載荷。對于諧響應(yīng)而言，加速度與位移有如下關(guān)系：Displacement=Acceleration/f2，而位移與結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈一定比例關(guān)系，因此在已知加速度的情況下就可以通過關(guān)系式獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進(jìn)而獲得相對損傷值，由于只需要進(jìn)行相對損傷對比，因而無需過多考慮傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確度。具體計(jì)算原理見圖2：
 
3 振動(dòng)臺加速試驗(yàn)載荷譜合成
3.1 電池包載荷工況確定
為了能在開發(fā)早期掌握電池包結(jié)構(gòu)耐久性能，必須首先確定電池包的典型載荷工況并獲取相應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)。和整車耐久試驗(yàn)類似，最可靠的是基于用戶關(guān)聯(lián)獲得車輛的實(shí)際行駛工況，進(jìn)而采集相應(yīng)的載荷用來對整車及零部件耐久性能進(jìn)行驗(yàn)證，然而時(shí)至今日整個(gè)汽車行業(yè)也沒有辦法真正地解決用戶與試驗(yàn)場的關(guān)聯(lián)，原因是受駕駛習(xí)慣與路面等眾多因素影響?；谝陨峡紤]同時(shí)兼顧更多用戶使用工況，電池包全生命周期工況選擇整車綜合耐久工況，通過試驗(yàn)場各個(gè)典型路面采集加速度載荷，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)編輯處理最終確定目標(biāo)譜，部分路面循環(huán)次數(shù)見下表1。
 
3.2 電池包安裝點(diǎn)加速度信號采集
電池包由上下兩鈑金殼體外加數(shù)根橫梁支架通過焊接而成，并通過螺栓與車身縱梁固定連接。車輛行駛過程中，沖擊載荷通過螺栓安裝點(diǎn)傳遞至電池包，進(jìn)而使得電池包產(chǎn)生剛性位移與彈性振動(dòng)響應(yīng)?；谝陨戏治鲞x擇電池包與車身安裝螺栓附近的5 個(gè)點(diǎn)采集加速度信號用于合成加速試驗(yàn)譜。
3.3 加速載荷譜合成結(jié)果
將各典型路面加速度信號分別通過沖擊響應(yīng)譜與疲勞損傷計(jì)算，然后按照規(guī)范循環(huán)合成得到總的疲勞損傷譜和極限沖擊響應(yīng)包絡(luò)線。
 
基于損傷等效，以總的疲勞損傷譜為目標(biāo)，生成一個(gè)具有代表性的試驗(yàn)譜。根據(jù)耐久規(guī)范計(jì)算得到正常疲勞試驗(yàn)時(shí)間為76 小時(shí)，得到等效目標(biāo)損傷的功率譜密度，如圖4 所示：紅藍(lán)綠分別指縱向、側(cè)向、垂向。
 
為了達(dá)到加速試驗(yàn)?zāi)康那也怀鰳O值響應(yīng)包絡(luò)，目標(biāo)試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為40 小時(shí)，通過調(diào)整耐久試驗(yàn)時(shí)間即可重新計(jì)算得到所需的加速載荷譜。
 
經(jīng)過加速計(jì)算得到的載荷功率譜如圖5 所示：結(jié)果顯示三方向載荷能量均集中在100Hz以內(nèi)且各方向幅值都有了一定程度的提升，此外為了檢驗(yàn)加速是否過度，同時(shí)計(jì)算得到?jīng)_擊響應(yīng)譜與目標(biāo)極值包絡(luò)比較，如圖6 所示在20Hz 以內(nèi)加速載荷沖擊響應(yīng)譜略微超出目標(biāo)響應(yīng)極值，20 到100Hz之間加速載荷小于目標(biāo)響應(yīng)極值，因此由76 小時(shí)的原試驗(yàn)方案加速到40 小時(shí)幾乎接近加速的極限，在條件允許的情況下可以通過批量電池包振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證失效模式的一致性從而進(jìn)一步確認(rèn)加速載荷的可行性。為了方便臺架試驗(yàn)輸入，可以在此基礎(chǔ)上對曲線進(jìn)行一定的平滑處理最終得到臺架輸入載荷。
 
4 結(jié)論
本文提出一種振動(dòng)疲勞加速試驗(yàn)方法：基于實(shí)測電池包加速度信號進(jìn)行損傷計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)耐久試驗(yàn)規(guī)范編制成目標(biāo)損傷譜；基于目標(biāo)損傷譜和設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間，反算獲得疲勞加速試驗(yàn)加載譜，同時(shí)確保沖擊響應(yīng)譜不超出電池包實(shí)際工況下響應(yīng)包絡(luò)線，防止加速過度。該方法可操作性強(qiáng)，且對于其它汽車零部件的振動(dòng)耐久試驗(yàn)規(guī)范制定有一定的借鑒指導(dǎo)意義。
 
 
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