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基于DFA原则的纯电动汽车电池包轻量化设计研究
| 论文题名： | 基于DFA原则的纯电动汽车电池包轻量化设计研究 |
| 关键词： | 电动汽车;动力电池包;轻量化设计;安全性能 |
| 摘要： | 动力电池包作为纯电动汽车的储能装置和动力来源，直接地影响了整车续航里程。然而，受制于电芯材料技术的发展瓶颈，纯电动汽车要提高续航里程，就只能通过增加动力电池数量，在一方面增加了整车的整备质量，另一方面电池数量的增多也使得动力电池包内部零件变多，降低了生产装配效率。伴随着日益严苛的新能源汽车补贴标准及纯电动汽车市场规模扩大的需求，现有的动力电池包的结构设计和生产装配效率已无法满足行业需求。因此，研究高装配效率和轻量化的动力电池包结构设计方案具有十分重要的现实意义和参考价值。 本文以某纯电动汽车动力电池包为例，采用Design for Assembly（DFA）设计原则分析动力电池包各个零件结构，通过简化集成减少零件类型和数量提高其装配效率，结合有限元方法提出了基于DFA原则的动力电池包结构轻量化设计方案；并研究了优化后的结构设计方案对动力电池包安全性和可成形性的影响。主要研究内容如下： (1)根据有限元分析方法，采用Hypermesh软件对动力电池包CAD模型进行有限元网格划分。运用Optistruct对动力电池包有限元模型进行静动态分析，结果表明动力电池包在各个工况下的最大应力均远小于材料屈服强度，最大变形也处于1mm安全距离范围内，结构设计过于保守；而一阶模态固有频率为29Hz，处于通常路面激励频率范围，需对动力电池包结构进行优化以改善其动态性能。 (2)采用DFA设计原则分析动力电池包零件组成，基于三个设计准则对各零件进行简化集成设计。优化后，在具备良好的静动态性能的同时动力电池包零件数量减少了114件、零件类型减少了20种、装配时间减少了954.32s、装配效率提升至23.47%。 (3)基于上述分析结果，采用Optistruct对动力电池包进行结构轻量化设计。通过替换轻质材料、尺寸优化、拓扑优化和形貌优化等方法，在保持良好静态性能的同时使动力电池包轻量化程度达到13.66%，并改善了动态性能。 (4)依照国标中安全性能试验要求，采用Abaqus软件对优化后的动力电池包有限元模型进行模拟碰撞、挤压和跌落分析，结果表明优化后的动力电池包结构较为安全，符合国标中的试验要求；生产试制结果表明优化设计后的动力电池包不仅实现了轻量化设计，整体结构件类型和数量也得到了减少，一定程度上提高了生产效率、降低了成本，验证了该优化设计方案的可行性。 |
| 作者： | 余万铨 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 胡志力 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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