基于OptiStruct的电池包壳体尺寸优化 原创

在OptiStruct中进行电池包壳体尺寸优化，需结合参数化建模、载荷工况定义、约束设置和优化目标，实现轻量化与结构性能的平衡。以下是详细流程和关键要点：

一、优化流程

1. 前处理：参数化建模

· 设计变量：将壳体关键区域厚度设为变量。

· 非设计区域：固定螺栓孔、密封面等区域厚度。

电池包壳体尺寸优化设计空间与非设计区域显示如图1所示，蓝色为非设计区域，红色为设计区域：

图1 设计区域与非设计区域

2. 载荷工况定：义定义约束模态边界条件：

①模态求解卡片设置：计算前10阶非刚体模态

②电池重量：将电芯质量以集中质量点（CONM2）施加于壳体内部连接点。

③边界条件：约束安装点所有自由度（SPC）。

模态计算模型如图2所示：

图2 模态计算工况

3. 响应设置（Responses），定义模型全局响应：定义电池包壳体质量响应和第一阶频率响应

①质量响应（MASS）

②一阶扭转模态频率（FREQ）

图3 定义质量响应和一阶频率响应

1. 约束条件：

①定义优化约束条件，本案例以质量≤4.5kg为约束条件，具体设置方法如图4所示：

图4 质量约束建立

②定义制造工艺约束，按照60°拔模角度进行约束，具体设置方法如图5所示：

图5 制造工艺约束条件

5. 优化目标：本例以第一阶模态最大为优化目标，进行设计区域进行尺寸优化

6. 控制参数，在opti control里面进行优化控制参数设置：

①优化算法：自适应响应面法（ARSM）或梯度优化。

②收敛精度：相对变化<1%~2%或最大迭代50步。

二、关键优化策略

1. 设置灵敏度分析筛选变量

①运行初始灵敏度分析（SENSITY）：

②保留对目标/约束敏感度高的变量（如底板厚度对质量敏感度>0.8）。

2. 分步优化

①尺寸优化：调整厚度变量。

②形貌优化（Topography）：在壳体表面生成加强筋，具体设置参数：TOPOLOGY, 1, PSHELL, 1, , MIN_DIA=20, MAX_DIA=50 ! 筋条最小/最大直径

③制造约束，设置对称约束和厚度分组：

对称约束：左右壳体厚度对称（避免非对称设计）；

厚度分组：将相邻区域厚度绑定（减少加工复杂度）。

三、尺寸优化结果

提交Optistruct求解器进行优化求解，经过30步迭代优化获取最优解，优化目标迭代历程如图6所示：

图6 优化目标迭代历程

优化结果提取：提取最终尺寸优化结果分布，如图7所示：

图7

1. 优化结果说明

加强筋高度：15mm (新增) +5%质量

总质量变化：10.48kg → 8.58kg 减重18.3%

五、注意事项

1. 材料模型：使用弹塑性材料（如AL6061-T6）避免低估屈服风险。

2. 连接简化：焊点用CWELD单元模拟，避免应力失真。

3. 迭代效率：对复杂模型使用子结构法（SUBSTEP）加速计算。

4. 结果稳健性：进行厚度公差分析（±0.2mm扰动验证性能稳定性）。

通过以上流程，OptiStruct可在保证结构安全的前提下实现电池包壳体的高效减重。建议优先优化对质量敏感度高且应力裕度大的区域，对高应力区域保留厚度余量。

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