基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法及电子装置与流程

1.本发明涉及电池盖板设计领域，具体而言，涉及一种基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法及电子装置。


背景技术：

2.电池包顶盖除了起到防护电芯、铝排、走线等内部零件外，还起到加强电池包整体结构强度的作用。为了避免与其他零部件共振引起的损伤，通常会尽可能地提高顶盖的固有频率。电池包顶盖属于薄壁钣金结构，在钣金平面上冲压加强筋是最经济实用的方法，但零件的尺寸、安装位置等不同，起筋的形状、大小等也不尽相同。目前普遍采用模式如下，对每一种设计方案都进行一次cae仿真分析，工程师依据前一次分析结果来改进设计，这种方案耗时长、效率低，且难以保证最终设计方案是最优解。如图2所示的流程图即为现有技术的设计方案。
3.针对上述的现有技术中的电池盖板加强筋设计效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法及电子装置，以至少解决现有技术中的电池盖板设计效率低的技术问题。
5.根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法，包括：建立电池盖板的三维模型；基于三维模型确定第一有限元模型；对第一有限元模型建立载荷，得到第二有限元模型；确定形貌优化设计的约束条件、设计目标、起筋参数，其中，起筋参数包括起筋高度，起筋高度为一个单位容差高度，单位容差高度为电池盖板设计可接受的局部最大台阶差；利用形貌优化设计对第二有限元模型进行优化计算，得到形貌优化云图；根据形貌优化云图确定加强筋设计结果。
6.可选地，基于三维模型确定第一有限元模型，包括：对三维模型的中面进行特征提取；基于中面确定三维模型的设计对象区域；对设计对象区域进行网格化处理，得到第一有限元模型。
7.可选地，对第一有限元模型建立载荷，得到第二有限元模型，包括：对第一有限元模型进行单元剖分，得到多个节点单元；对各节点单元进行施加载荷，得到第二有限元模型。
8.可选地，利用形貌优化设计对第二有限元模型进行优化计算，得到形貌优化云图，包括：沿第二有限元模型的顶盖装配面的螺栓孔内圈建立多个节点；将各节点刚性连接到第二有限元模型中部的约束点，并约束约束点的六向自由度；计算第二有限元模型的约束模态，基于约束模态确定形貌优化云图。
9.可选地，根据形貌优化云图确定加强筋设计结果，包括：将形貌优化云图导出为三维几何体；基于三维几何体确定加强筋参数，其中，加强筋参数包括布置位置；响应于加强
筋参数满足预设条件，确定加强筋参数为加强筋设计结果；响应于加强筋参数不满足预设条件，重新确定约束条件、设计目标、起筋参数。
10.可选地，约束条件为设计对象区域的优化后的质量上限不超过原质量的130％，设计目标为优化后的第二有限元模型的第一阶固有频率达到最大值。
11.可选地，单位容差高度的值为l1，其中，0.8mm≤l1≤1.2mm。
12.根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种处理器，其特征在于，处理器用于运行程序，其中，程序被设置为运行时执行上述的方法。
13.根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种计算机可读的存储介质，该计算机可读的存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述的方法。
14.根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，上述处理器通过计算机程序执行上述的方法。
15.在本发明实施例中，采用基于三维模型确定第一有限元模型和基于第一有限元模型得到第二有限元模型的方式，通过将形貌优化设计的起筋参数设置为一个单位容差高度，使得形貌优化结果中各处筋条高度一致，无需根据形貌优化设计产生的实际高度进行加强筋生成，规避形貌优化设计算法与工程实际的偏差，同时能够快速得到加强筋的设计布局，达到了利用cae形貌优化技术快速得到盖板加强筋设计结果的目的，从而实现了快速找到盖板耐振性能的最后加强筋设计的技术效果，进而解决了现有技术中的电池盖板设计效率低的技术问题。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1是根据本发明其中一可选实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法的计算机终端的硬件结构框图；
18.图2是根据现有技术中的电池盖板设计方法的流程图；
19.图3是根据本发明其中一可选实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法的流程图；
20.图4是根据本发明其中一可选实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法的流程图；
21.图5是根据本发明其中一可选实施例的电池盖板的结构示意图；
22.图6是根据本发明其中一可选实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法的起筋参数的示意图；
23.图7是根据本发明其中一可选实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法得到的加强筋设计结果的示意图；
24.图8是根据本发明其中一可选实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法得到的加强筋设计结果的示意图；
25.图9是根据本发明其中一可选实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计
方法得到的加强筋设计结果的示意图。
26.其中，上述附图包括如下附图标记：
27.100、设计区域；101、顶盖；102、固定螺栓孔；103、下箱体。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
29.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
30.根据本发明其中一实施例，提供了一种基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
31.该方法实施例可以在车辆中包含存储器和处理器的电子装置或者类似的运算装置中执行。以运行在车辆的电子装置上为例，如图1所示，车辆的电子装置可以包括一个或多个处理器102(处理器可以包括但不限于中央处理器(cpu)、图形处理器(gpu)、数字信号处理(dsp)芯片、微处理器(mcu)、可编程逻辑器件(fpga)、神经网络处理器(npu)、张量处理器(tpu)、人工智能(ai)类型处理器等的处理装置)和用于存储数据的存储器104。可选地，上述汽车的电子装置还可以包括用于通信功能的传输设备106、输入输出设备108以及显示设备110。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述车辆的电子装置的结构造成限定。例如，车辆的电子装置还可包括比上述结构描述更多或者更少的组件，或者具有与上述结构描述不同的配置。
32.存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至移动终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
33.传输装置106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括
移动终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输装置106包括一个网络适配器(network interface controller，简称为nic)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输装置可以为射频(radio frequency，简称为rf)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
34.显示设备110可以例如触摸屏式的液晶显示器(lcd)和触摸显示器(也被称为“触摸屏”或“触摸显示屏”)。该液晶显示器可使得用户能够与移动终端的用户界面进行交互。在一些实施例中，上述移动终端具有图形用户界面(gui)，用户可以通过触摸触敏表面上的手指接触和/或手势来与gui进行人机交互，此处的人机交互功能可选的包括如下交互：创建网页、绘图、文字处理、制作电子文档、游戏、视频会议、即时通信、收发电子邮件、通话界面、播放数字视频、播放数字音乐和/或网络浏览等、用于执行上述人机交互功能的可执行指令被配置/存储在一个或多个处理器可执行的计算机程序产品或可读存储介质中。
35.为了避免与其他零部件共振引起的损伤，通常会尽可能地提高顶盖的固有频率。因此如何如何布置电池包顶盖加强筋以提高第一阶固有频率进而改善产品的耐振性能成为了电池盖板设计的难题。其中，频率为单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量，每个物体均有由他本身性质决定的与振幅无关的平频率，叫做固有频率。系统的若干固有频率中，最低的称之为第一阶固有频率。
36.目前某些cae仿真软件中具有形貌优化(topography optimization)功能，是一种面向薄壁结构和钣金件的概念设计技术，在设计初始阶段，设计人员通过cae软件自动的优化迭代计算得出最佳的加强筋布局，然后再进行设计、验证。整个分析流程如图4所示，可大幅度节约设计开发时间。需要说明的是，形貌优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的设计区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种，用来设计薄壁结构的强化压痕，以满足强度、频率等要求。cae仿真的基本原理为将现实的工程问题抽象出数学模型，运用如有限元方法，将模型离散并使之处于适当的工况中，之后交给计算机计算，以此来做模拟分析。
37.本实施例中提供了一种运行于电子装置的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法，图3是根据本发明其中一实施例的基于形貌优化设计的电池盖板加强筋设计方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：
38.步骤s10，建立电池盖板的三维模型；
39.步骤s20，基于三维模型确定第一有限元模型；
40.步骤s30，对第一有限元模型建立载荷，得到第二有限元模型；
41.步骤s40，确定形貌优化设计的约束条件、设计目标、起筋参数，其中，起筋参数包括起筋高度，起筋高度为一个单位容差高度，单位容差高度为电池盖板设计可接受的局部最大台阶；
42.在一个可选的实施例中，如图6所示为起筋参数的控制示意图，起筋参数还包括最小起筋宽度l1、起筋角度α，起筋高度为h1，最小筋宽为仿真有限元网格单元平均宽度1.5～2.5倍(优选取10mm),起筋角度为60
°±
20
°
(优选取60
°
)，起筋高度为一个单位容差高度，即传统形貌优化时后处理过程中，产品设计可接受的局部最大台阶差(由产品壁厚，材料特性，企业生产工艺，生产成本等因素综合确定，是企业内部设计规范中的一个确定值)，针对电池包盖板类的零部件，建议设为1mm即可快速得到布局结果。采用本实施例的方案，使用
单位容差高度进行快速确定筋布局，而不是根据实际高度，实际高度即产品的筋最终的设计高度，该值较高(比如可能是10mm)，采用实际高度生成加强筋会使形貌优化结果中各处筋条高度不一，增加制造成本，不利于确定筋条布置且直接以实际高度优化的，会产生很多无效结果，降低了设计效率。将起筋高度设置为一个单位容差高度能规避现有软件形貌算法与工程实际偏差，减少不符合实际的优化方案结果，并且快速得到布局，再结合工程师设计(绝大多数情况下，相同位置的筋，筋越高，其固有频率越大，刚度越高，产品越抗振)，快速得到加强筋设计结果，避免出现多台阶类型的形貌优化结果(理论解，不符合盖板实际生产)。优选地，起筋方向为单元法向的反方向，还可以进一步设置起筋的对称模式。
43.如图5所示，电池包由顶盖101、固定螺栓孔102、下箱体103及内部零部件构成，进行盖板优化首先需要确定形貌优化设计的三要素：约束条件、设计约束和设计目标。
44.步骤s50，利用形貌优化设计对第二有限元模型进行优化计算，得到形貌优化云图；
45.步骤s60，根据形貌优化云图确定加强筋设计结果；
46.通过上述步骤，采用基于三维模型确定第一有限元模型和基于第一有限元模型得到第二有限元模型的方式，通过将形貌优化设计的起筋参数设置为一个单位容差高度，使得形貌优化结果中各处筋条高度一致，无需根据形貌优化设计产生的实际高度进行加强筋生成，规避形貌优化设计算法与工程实际的偏差，同时能够快速得到加强筋的设计布局，达到了利用cae形貌优化技术快速得到盖板加强筋设计结果的目的，从而实现了快速找到盖板耐振性能的最后加强筋设计的技术效果，进而解决了现有技术中的电池盖板设计效率低的技术问题。
47.采用本技术的技术方案，通过合理布置加强筋，电池包顶盖第一阶固有频率提高，节约了产品设计周期，更容易找到顶盖耐振性能的压筋最优解。
48.可选地，在步骤s20中，基于三维模型确定第一有限元模型包括以下执行步骤：对三维模型的中面进行特征提取；基于中面确定三维模型的设计对象区域；对设计对象区域进行网格化处理，得到第一有限元模型。
49.由于设计方案需要满足顶盖的装配条件，即和电池包其他零件间相互空间位置关系不能发生变化，因此只能在图5中顶部区域空间内进行优化设计，即为设计对象区域100。
50.可选地，在步骤s30中，对第一有限元模型建立载荷，得到第二有限元模型，包括以下执行步骤：对第一有限元模型进行单元剖分，得到多个节点单元；对各节点单元进行施加载荷，得到第二有限元模型。
51.进一步地，对第一有限元模型建立载荷之后还可以将盖板的材料特性输入第二有限元模型中，以综合考虑盖板的固有频率和模态振型，以避免与振动源的共振。
52.可选地，在步骤s50中，利用形貌优化设计对第二有限元模型进行优化计算，得到形貌优化云图，包括：沿第二有限元模型的顶盖装配面的螺栓孔内圈建立多个节点；将各节点刚性连接到第二有限元模型中部的约束点，并约束约束点的六向自由度；计算第二有限元模型的约束模态，基于约束模态确定形貌优化云图。
53.其中，利用形貌优化设计对第二有限元模型进行优化计算的方法可以采用lanczos算法，计算盖板的约束模态时，约束点将顶盖装配面的螺栓孔的内圈1圈节点，刚性连接到中部一点，并约束该点6向自由度(x、y、z轴平动和绕x、y、z轴转动)。
54.利用形貌优化设计对第二有限元模型进行优化计算的过程中，通过节点变形技术使可起筋区域内的节点沿其法向产生变形，生成加强筋，软件根据每次迭代计算的结果不断变化需要起筋的节点直到寻找到最佳的加强筋布置位置。如下表所示为一次迭代计算过程：
55.迭代次数设计目标迭代次数设计目标05.41796e+0078.09485e+0015.50872e+0088.14169e+0025.79792e+0098.19369e+0036.31397e+00108.24130e+0047.04715e+00118.28484e+0057.83820e+00128.31245e+0067.99226e+00138.33613e+00
56.如上表所示，经过13次迭代后，设计目标趋于稳定，最后一次迭代形成的形貌优化云图如图7所示。设计员根据此图分布，结合生产工艺、难度、成本等因素，布置好加强筋(优选地，筋高取2mm，筋条特征：中部呈环状筋，并有4条筋呈辐射状延伸至顶盖四角)，其结构方案如图8所示，经cae计算验证，其第一阶固有频率为8.64hz，效果良好。
57.可选地，根据形貌优化云图确定加强筋设计结果，包括：将形貌优化云图导出为三维几何体；基于三维几何体确定加强筋参数，其中，加强筋参数包括布置位置；响应于加强筋参数满足预设条件，确定加强筋参数为加强筋设计结果；响应于加强筋参数不满足预设条件，重新确定约束条件、设计目标、起筋参数。若验证效果不满意，则重新返回第一步，细化设计区域，细化有限元网格，更改起筋参数，增加筋条对称约束等优化设置，进一步调试、优化，直至达到设计要求。流程如图4所示。
58.可选地，约束条件为设计对象区域的优化后的质量上限不超过原质量的130％，设计目标为优化后的第二有限元模型的第一阶固有频率达到最大值。这样设置使得优化后的第二有限元模型的耐振性能达到最优，且兼顾盖板的生产成本。
59.可选地，单位容差高度的值为l1，其中，0.8mm≤l1≤1.2mm。
60.在一个可选的实施例中，为降低冲压冲压模具数量、冲压机压力规格等生产成本，采用若干相同的梯形压型，四个梯形单元短边朝内构成内环，八个梯形单元短边朝外构成外环，内外环及其间隙共同围成形貌优化布置图，形成另一设计方案，如图9所示。经验证，其第一阶固频为8.74，效果良好。
61.进一步地，筋条以凸筋(即筋条向顶平面外凸)为例，优化得到筋条的分布位置，最终方案采用的具体压筋高度、拔模角，凸筋或凹筋或凸凹结合等形式可根据实际需要调整，均在本领域的技术人员的惯用替换手段。
62.需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
63.本发明的实施例还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
64.可选地，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计
算机程序：
65.步骤s1，建立电池盖板的三维模型；
66.步骤s2，基于三维模型确定第一有限元模型；
67.步骤s3，对第一有限元模型建立载荷，得到第二有限元模型；
68.步骤s4，确定形貌优化设计的约束条件、设计目标、起筋参数，其中，起筋参数包括起筋高度，起筋高度为一个单位容差高度，单位容差高度为电池盖板设计可接受的局部最大台阶；
69.步骤s5，利用形貌优化设计对第二有限元模型进行优化计算，得到形貌优化云图；
70.步骤s6，根据形貌优化云图确定加强筋设计结果。
71.本发明的实施例还提供了一种处理器，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
72.本发明的实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
73.可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
74.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
75.在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
76.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
77.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
78.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
79.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
80.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。