本發(fā)明涉及儲能設(shè)備，具體涉及一種儲能結(jié)構(gòu)件用結(jié)構(gòu)、材料、工藝和性能協(xié)同優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的儲能電池包的結(jié)構(gòu)層級通常為由電芯到電池模組再到儲能電池包整體，其中儲能結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、材料等選擇對電芯在使用過程中的性能一致性、使用壽命等均具有關(guān)鍵的影響；尤其是端板作為由電芯到電池模組集成的主要結(jié)構(gòu)件，為儲能電池包內(nèi)的電芯和電池模組提供固定支撐，同時為電芯提供預(yù)緊力，防止或抑制電芯在循環(huán)過程中的出現(xiàn)膨脹，保證電芯的循環(huán)壽命和使用一致性、安全性。因此研究端板的優(yōu)化方法對儲能電池包的使用性能具有重要的意義。

2、傳統(tǒng)的儲能電池包中的端板多為鈑金折彎式，該類型端板由鈑金折彎后拼焊制成，在小批次的場景下占據(jù)價格優(yōu)勢，但存在精度低、強度性能差、批量生產(chǎn)成本高等缺陷?，F(xiàn)有技術(shù)中對電池模組的端板進行設(shè)計過程中主要參考指標(biāo)是端板的結(jié)構(gòu)強度，在電芯循環(huán)的壽命到達末期時足夠不至于失效、端板的最大變形不會擠壓到周邊線束部件等條件進行優(yōu)化，即現(xiàn)有技術(shù)中僅采用單一指標(biāo)對端板結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，隨著儲能產(chǎn)品朝著低成本、高性能、輕量化的趨勢發(fā)展，現(xiàn)有的優(yōu)化方法并不能很好的滿足現(xiàn)有儲能電池包的使用需求。因此，本發(fā)明中提供了一種結(jié)構(gòu)、材料、工藝和性能多指標(biāo)協(xié)同的優(yōu)化方法，以適應(yīng)儲能電池包更低成本、更輕量化以及更高使用性能的使用需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種儲能結(jié)構(gòu)件用結(jié)構(gòu)、材料、工藝和性能協(xié)同優(yōu)化方法，以解決上述背景技術(shù)中存在的現(xiàn)有技術(shù)問題。

2、為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：提供了一種儲能結(jié)構(gòu)件用結(jié)構(gòu)、材料、工藝和性能協(xié)同優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、s1：傳統(tǒng)端板的有限元建模及性能分析；

4、將傳統(tǒng)端板的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，根據(jù)傳統(tǒng)端板的幾何特征選擇合適的方法進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，模擬端板的模態(tài)性能及多工況下的機械性能，得到端板的初始性能參數(shù)；

5、s2：確定新端板材料及成型工藝，建立設(shè)計空間模型；

6、根據(jù)端板自身的影響因素以及端板在儲能電池包中的適用條件對端板的優(yōu)化方向進行評估和可行性分析，確定新端板的優(yōu)化材料和成型工藝；在完成材料和成型工藝的選擇后，結(jié)合其對端板結(jié)構(gòu)的影響，在傳統(tǒng)端板模型的基礎(chǔ)上進行幾何重構(gòu)建立端板的優(yōu)化設(shè)計空間模型；

7、s3：新端板的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計及詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計；

8、s3.1，初步結(jié)構(gòu)設(shè)計；以步驟s2獲取的端板優(yōu)化設(shè)計空間模型為優(yōu)化對象，優(yōu)化區(qū)域的網(wǎng)格單元作為設(shè)計變量，通過折衷規(guī)劃法構(gòu)建端板的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，通過變密度法優(yōu)化得到端板的材料分布，得到新端板的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；然后對初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行性能驗證和可行性分析；

9、s3.2，詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計；根據(jù)步驟s3.1所得到初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，提取端板的各加強筋厚度、角度，端板壁厚結(jié)構(gòu)特征進行參數(shù)化，以此作為設(shè)計變量通過擬合響應(yīng)面法建立優(yōu)化模型進行優(yōu)化設(shè)計，得到端板的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；然后對詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行性能驗證和可行性分析；

10、s4：新端板的工藝參數(shù)優(yōu)化及工藝可行性分析；

11、將步驟s3中得到的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的新端板結(jié)構(gòu)，結(jié)合步驟s2中確定的優(yōu)化成型工藝，對新端板結(jié)構(gòu)進行工藝成型數(shù)值模擬；將多個成型工藝參數(shù)作為評價指標(biāo)，通過田口方法進行實驗設(shè)計，得到試驗因素對成型工藝評價指標(biāo)的信噪比，進而通過計算均值、極差、方差數(shù)據(jù)得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合；并對該工藝參數(shù)組合進行成型工藝數(shù)值模擬，驗證新端板優(yōu)化工藝的可行性；得到端板的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；

12、s5：結(jié)構(gòu)、材料、工藝與性能協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方案的驗證；

13、對步驟s4中得到的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的端板結(jié)構(gòu)有限元性能分析，模擬與步驟s1相同邊界條件下的模態(tài)性能及多工況下的機械性能，得到各項性能參數(shù)；并與初始步驟s1初始性能參數(shù)和步驟s3.2中的性能參數(shù)進行分析比較，得到新端板的集結(jié)構(gòu)、材料、工藝與性能多因素耦合的協(xié)同優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

14、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述步驟s1中傳統(tǒng)端板的材料為q235a鋼，結(jié)構(gòu)類型為鈑金折彎式，工藝為通過鈑金折彎后拼焊制成。

15、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述步驟s1中的邊界條件為電池模組的安裝及受載形式；多工況為短板受到模組膨脹、多向沖擊、振動中的一種或多種工況。

16、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述步驟s2中端板自身的影響因素包括不同工藝類型下端板的機械性能、裝配精度、材料成本、模具成本、開模周期；所述使用條件包括電芯成組形式、產(chǎn)品批量、制造成本。

17、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述步驟s2中端板的優(yōu)化材料選擇為6063鋁合金，優(yōu)化成型工藝選擇為鋁擠壓成型。

18、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述步驟s3.1初步結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括以下步驟：

19、（1）根據(jù)步驟s2中選擇的新端板的優(yōu)化材料和優(yōu)化工藝，確定端板的優(yōu)化區(qū)域，將選定的優(yōu)化區(qū)域的網(wǎng)格單元作為設(shè)計變量進行運算，通過減材得到端板優(yōu)化材料分布；

20、（2）確定優(yōu)化設(shè)計變量之后，選取端板的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，建立新端板的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，運算得到初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

21、，

22、其中，f(ρ)表示端板的綜合性能函數(shù)值，ω表示靜態(tài)工況總權(quán)重，1-ω表示動態(tài)工況總權(quán)重，ωi表示第i個靜態(tài)工況權(quán)重，ρ表示單元密度，即優(yōu)化模型的設(shè)計變量；k表示工況數(shù)；c(ρ)表示柔度目標(biāo)函數(shù)；和分別表示結(jié)構(gòu)最大、最小柔度；表示最大、最小模態(tài)目標(biāo)值；v(ρ)表示優(yōu)化保留體積；表示體積分?jǐn)?shù)；

23、（3）對上述得到的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的新端板結(jié)構(gòu)進行有限元性能分析，模擬與步驟s1中相同邊界條件下的模態(tài)性能及多工況下的機械性能，得到各項性能參數(shù)，并與步驟s1中的初始性能參數(shù)進行比較，驗證初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。

24、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述s3.1的步驟（2）中的優(yōu)化目標(biāo)為綜合目標(biāo)函數(shù)，綜合目標(biāo)函數(shù)是以端板的模態(tài)性能參數(shù)及端板在多工況下機械性能參數(shù)作為目標(biāo)性能參數(shù)，將多個目標(biāo)性能參數(shù)通過折衷規(guī)劃法構(gòu)建得到的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；所述約束條件為端板優(yōu)化前后的體積比。

25、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上于，所述步驟s3.1的步驟（1）中，還需定義工藝約束，將拔模參數(shù)、材料易于成型的壁厚條件也作為優(yōu)化的限制條件，經(jīng)過多步優(yōu)化迭代后收斂，優(yōu)化得到新端板結(jié)構(gòu)的材料分布，并據(jù)此進行結(jié)構(gòu)逆向建模，得到新端板的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

26、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述步驟s3.2詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括以下步驟：

27、（1）提取步驟s3.1中得到的新端板結(jié)構(gòu)中的各加強筋厚度、角度、端板壁厚特征參數(shù)并作為設(shè)計變量，并結(jié)合材料及工藝需求確定設(shè)計變量的可變化區(qū)間；

28、（2）確定設(shè)計變量之后，進行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化并結(jié)合多工況下的機械性能參數(shù)形成綜合目標(biāo)函數(shù)作為優(yōu)化指標(biāo)，將端板的重量及材料、工藝約束下的可變化區(qū)間作為優(yōu)化約束，建立端板的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

29、

30、其中，t表示端板的各加強筋厚度；a表示端板的各加強筋角度，h表示端板各處的壁厚，mass表示端板的重量，f(ρ)表示端板的綜合性能函數(shù)值；

31、（3）建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型后，對上述設(shè)計變量在可變化區(qū)間內(nèi)進行試驗設(shè)計抽樣，得到樣本組合并進行有限元分析后得到性能參數(shù)組合；

32、（6）將樣本組合和性能參數(shù)組合利用多項式響應(yīng)面法構(gòu)建近似模型并進行精度驗證，然后選擇moga算法對近似模型進行優(yōu)化求解，得到關(guān)于端板參數(shù)組合的帕累托組合解集，進而確定新端板綜合性能優(yōu)異的參數(shù)組合，作為新端板的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；

33、（7）對得到的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的端板結(jié)構(gòu)再次進行有限元性能分析，模擬與步驟s1相同邊界條件下的模態(tài)性能及多工況下的機械性能，得到各項性能參數(shù)，并與步驟s1及s3.1中所得到的端板性能參數(shù)進行分析比較，驗證詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。

34、在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述步驟s4中，以鋁型材擠壓成型為例，對鋁型材擠壓成型過程進行仿真分析，并根據(jù)擠壓成型質(zhì)量對新端板結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)進行優(yōu)化，確保新端板的工藝可行性；包括以下步驟：

35、將擠壓比、棒料預(yù)熱溫度、模具預(yù)熱溫度、擠壓筒預(yù)熱溫度、擠壓速度工藝參數(shù)作為試驗因素，模擬鋁合金在模具型腔內(nèi)流動成型的全過程，將端板成型質(zhì)量、成型過程壓力、流速及模具的應(yīng)力、變形參數(shù)作為評價指標(biāo)；再根據(jù)評價指標(biāo)進行實驗設(shè)計，得到優(yōu)化工藝參數(shù)組合。

36、本發(fā)明提供的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果在于：

37、本發(fā)明提供了一種儲能結(jié)構(gòu)件用結(jié)構(gòu)、材料、工藝和性能協(xié)同優(yōu)化方法，提供了一種適用于儲能結(jié)構(gòu)件的多方向優(yōu)化體系，尤其是對電池模組中的端板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程，將端板的機械性能作為優(yōu)化指標(biāo)，綜合考慮端板的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能多因素之間的相互耦合關(guān)系，協(xié)同對傳統(tǒng)鈑金式端板進行多維度優(yōu)化，并在多步驟中對新端板結(jié)構(gòu)進行相匹配的性能驗證和工藝可行性分析，以得到端板的最終協(xié)同優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，有效降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)整機輕量化，同時提高端板結(jié)構(gòu)強度、剛度等機械性能，保證電芯及儲能電池包系統(tǒng)的循環(huán)壽命及安全性。