盛兆華

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電動力魚雷二次電池組抗沖擊強度分析

盛兆華

(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)

電動力魚雷二次電池組安全平穩(wěn)放電是全雷正常航行的保障。電池架除了保證電池單體有足夠的容納空間外, 還需具有一定的抗沖擊強度, 防止魚雷空投發(fā)射入水沖擊對電池單體造成損傷, 引起內(nèi)部短路等嚴(yán)重故障。文中先對現(xiàn)有電池組進行模擬空投發(fā)射沖擊試驗, 試驗結(jié)果表明, 電池單體未受損, 電池架頂蓋遭嚴(yán)重破壞。之后采用沖擊有限元仿真分析頂蓋嚴(yán)重變形原因, 仿真結(jié)果表明, 頂蓋抗彎強度不足, 針對強度不足之處對頂蓋進行結(jié)構(gòu)改進, 結(jié)構(gòu)改進后電池組順利通過了沖擊試驗。文中所做研究可為電池組抗沖擊設(shè)計提供參考。

電動力魚雷; 二次電池組; 沖擊試驗; 沖擊有限元仿真

0 引言

電動力魚雷二次電池組(以下簡稱電池組)為全雷電路和動力裝置提供能量供應(yīng), 是由幾十片高能量密度鋰離子電池單體串并聯(lián)組成的電源系統(tǒng)[1]。電池組安全平穩(wěn)放電是全雷正常航行的重要保障[2-3]。如此高能量密度、大倍率放電的電源系統(tǒng), 其安全性不容忽視[4]。目前, 電池組安全性能研究依然集中在電池單體正負(fù)極材料、電解質(zhì)熱穩(wěn)定性及電源管理系統(tǒng), 而忽視電池組外部防護作用。電池組最大的安全問題就是魚雷發(fā)射入水沖擊對鋰離子電池單體造成的損傷。過于薄弱的電池防護可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路等嚴(yán)重故障, 而作為容納和保護電池單體的電池架, 其結(jié)構(gòu)必須保證最大的容納空間以及足夠的強度。設(shè)計前期已模擬魚雷管裝發(fā)射對現(xiàn)有電池組進行沖擊摸底試驗, 電池架抗沖擊強度滿足使用要求, 但魚雷空投發(fā)射相比管裝發(fā)射, 入水時對電池組沖擊更大, 故模擬空投發(fā)射的沖擊試驗相比模擬管裝發(fā)射更加嚴(yán)苛。

文中首先搭建電池組沖擊試驗平臺, 闡述沖擊試驗方法。其次, 按模擬空投發(fā)射沖擊試驗項目對現(xiàn)有電池組進行沖擊試驗, 根據(jù)試驗結(jié)果和有限元仿真結(jié)果對電池架抗沖擊強度進行分析, 針對電池架抗沖擊能力不足之處進行結(jié)構(gòu)改進。最后, 再次對結(jié)構(gòu)改進后的電池架抗沖擊強度進行考核。

1 電池組沖擊試驗

1.1 沖擊試驗項目

電池組受沖擊程度與魚雷空投入水角度有關(guān)[5-7]。入水角度越大, 電池組軸向沖擊越大, 入水角度越小, 電池組軸向沖擊越大。、軸方向定義見圖1。文中模擬空投發(fā)射入水沖擊試驗項目按各方向指標(biāo)獨立進行, 沖擊試驗項目見表1。

表1 沖擊試驗項目

1.2 沖擊試驗平臺

如圖1所示, 電池組沖擊試驗平臺由機械跌落式?jīng)_擊試驗臺、專用夾具、試驗艙段、二次電池組構(gòu)成。機械跌落式?jīng)_擊試驗臺由臺架、導(dǎo)向支柱、跌落臺面、加速度傳感器、吸振裝置等組成, 主要用于測試產(chǎn)品抗沖擊能力[8-9]。試驗原理: 電池組安裝在試驗艙段內(nèi), 將試驗艙段通過專用夾具安裝在跌落臺面上。跌落臺面通過液壓平衡升降裝置提升至一定高度, 釋放后與底座吸振緩沖墊層碰撞, 使跌落臺面受向上沖擊, 產(chǎn)生的脈沖載荷傳遞于電池組。跌落臺面上安裝有加速度傳感器, 用于采集跌落臺面與吸振裝置沖擊瞬間產(chǎn)生的加速度信號。

沖擊載荷按半正弦形式設(shè)置。通過液壓平衡升降裝置調(diào)整跌落臺面至距吸振裝置高度, 可調(diào)節(jié)沖擊加速度峰值; 通過調(diào)整吸振裝置軟硬程度, 可調(diào)節(jié)沖擊脈沖持續(xù)時間。沖擊試驗前后對電池組外觀、電壓、正負(fù)極對殼絕緣、充放電性能進行了檢驗和記錄。

1.3 沖擊試驗結(jié)果

1.3.1 試驗項目1

如表1所示, 試驗項目1為軸向沖擊, 峰值加速度200g, 持續(xù)時間1.5 ms。

沖擊試驗前, 電池架外觀完整, 電池組電壓正常, 絕緣正常。沖擊試驗后, 電池架外觀完整, 電池組電壓正常, 絕緣正常, 電池組內(nèi)部第1塊單元電池受端板反向沖擊力, 鋁塑保護膜被沖擊出明顯棱邊, 如圖2所示, 單元電池電壓檢測正常, 單元電池充放電試驗正常。

雖然受端板反向沖擊力造成第1塊單元電池外包鋁塑保護膜出現(xiàn)明顯棱邊, 但單元電池充放電試驗已證明電池單體內(nèi)部并未受損, 說明電池架能夠保護電池組抵御軸向沖擊。電池架軸向沖擊強度滿足使用要求。

1.3.2 試驗項目2

如表1所示, 試驗項目2為軸向沖擊, 峰值加速度55g, 持續(xù)時間1.5 ms。

沖擊前, 電池架外觀完整, 絕緣正常, 電池組電壓正常。沖擊后, 電池架頂蓋一側(cè)焊縫處幾乎全部撕裂, 部分焊疤脫落, 裂縫呈中間寬兩側(cè)小, 中間最寬處約5 mm, 頂蓋充電插口處拱起, 見圖3(a)。拆卸電池架頂蓋, 頂蓋沿裂縫處斷裂為2塊, 見圖3(b)。電池組內(nèi)部部分單元電池轉(zhuǎn)接板、充電插口產(chǎn)生變形, 電池單體電壓檢測正常, 單元電池充放電試驗正常。

電池組經(jīng)軸向沖擊后, 雖然電池單體并未受損, 但嚴(yán)重受損的電池架頂蓋存在極大的安全隱患。下文將通過有限元仿真分析電池架頂蓋產(chǎn)生嚴(yán)重變形的原因。

2 電池架頂蓋沖擊有限元分析

2.1 有限元方法

ABAQUS/Explicit[10-11](顯式非線性動態(tài)分析)應(yīng)用中心差分方法對運動方程進行顯式時間積分, 由一個增量步的動力學(xué)條件計算下一個增量步的動力學(xué)條件。計算步驟如下。

1) 節(jié)點計算。動力學(xué)平衡方程

對時間顯式積分

從增量步開始提供了滿足動力學(xué)平衡條件的加速度, 繼而在時間上“顯式地”推進速度和位移, 實現(xiàn)模型狀態(tài)的更新, 無需迭代和收斂準(zhǔn)則, 因此, ABAQUS/Explicit適用于模擬瞬時動態(tài)事件, 如沖擊、爆炸問題, 特別是沖擊、爆炸過程中復(fù)雜的接觸問題, 在計算成本上更有優(yōu)勢。

電池組沖擊過程短暫、瞬時, 內(nèi)部單元電池與頂蓋之間接觸條件迅速變化, 屬于典型的復(fù)雜非線性動力學(xué)問題和復(fù)雜接觸問題, 故文中使用ABAQUS/Explicit進行有限元計算。

2.2 沖擊有限元模型

頂蓋由上蓋板、兩側(cè)加強筋拼焊成型。其中, 上蓋板又由左、上、右板焊接, 整體拼焊后焊疤打磨平整。如圖4所示, 頂蓋3D模型兩側(cè)開1.5 mm×0.5 mm缺口, 作為焊疤簡化處理。

如圖5所示, 頂蓋沖擊有限元模型由頂蓋、壓條、轉(zhuǎn)接板組成。

其余參數(shù)設(shè)定如下。

1) 材料屬性。頂蓋材料為鋁合金, 密度2.66 g/cm3, 彈性模量70 700 MPa, 泊松比0.33; 壓條材料為橡膠, 密度1.3 g/cm3, 彈性模量7.8 MPa, 泊松比0.47; 轉(zhuǎn)接板材料為環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板, 密度2 g/cm3, 彈性模量10 000 MPa, 泊松比0.35。

2) 邊界條件與載荷定義。頂蓋通過螺釘與殼體連接固定, 在其連接面處施加完全約束。電池架裝入試驗艙段內(nèi), 頂蓋加強筋與艙段通過螺釘連接, 在其連接面施加完全約束。電池單體置于殼體槽內(nèi), 電池極耳與轉(zhuǎn)接板采用灌膠工藝。沖擊時, 單元電池慣性力通過灌膠層傳至轉(zhuǎn)接板。為節(jié)約計算成本, 將單元電池對頂蓋沖擊力等效換算為壓力載荷施加于轉(zhuǎn)接板灌膠側(cè)。每塊單元電池約2 kg, 慣性力1 700 N, 轉(zhuǎn)接板灌膠層面積6 501 mm2, 壓力載荷0.26 MPa, 按半正弦沖擊載荷設(shè)定, 作用時間1.5 ms。

3) 綁定、接觸定義。壓條粘貼在頂蓋上, 壓條與頂蓋之間定義綁定作用。單元電池沖擊力通過灌膠轉(zhuǎn)接板、壓條層層傳遞至頂蓋, 轉(zhuǎn)接板與壓條之間定義接觸作用。

4) 網(wǎng)格劃分與分析步創(chuàng)建。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù), 劃分后單元形狀為六面體單元。創(chuàng)建顯示動態(tài)分析步, 時長5 ms。

2.3 有限元仿真結(jié)果

頂蓋沖擊有限元仿真結(jié)果如圖6所示。整個仿真過程5 ms, 脈沖載荷施加按半正弦形式設(shè)定, 1 ~2.5 ms為載荷作用時間段。后處理時, 僅顯示Mises應(yīng)力大于269 MPa部分的應(yīng)力云圖, 小于269 MPa的顯示為灰色, 方便危險點判斷。

如圖7所示, 0~1 ms, 載荷未施加, 頂蓋無形變; 1~2.5 ms, 載荷施加, 頂蓋中部變形、凸起, 上蓋板左、上、右板焊縫處應(yīng)力明顯集中; 2.8 ms時, 該焊縫處產(chǎn)生最大Mises應(yīng)力888 MPa; 3.7 ms時, 頂蓋中部產(chǎn)生最大形變量19.53 mm。

從整個沖擊過程得出以下結(jié)論:

1) 頂蓋抗彎強度不足。沖擊過程中頂蓋最大變形為19.53 mm, 遠(yuǎn)超許用變形量4 mm。因頂蓋變形量大, 內(nèi)部單元電池受慣性作用脫出殼體電池槽, 單元電池轉(zhuǎn)接板、充電插口等易損零件與頂蓋接觸產(chǎn)生變形, 這與軸向沖擊試驗結(jié)果吻合。

2) 上蓋板焊縫抗拉強度不足。整個沖擊有限元仿真過程中, 每一分析步Mises最大應(yīng)力都位于上蓋板左、上、右板焊縫處, 且遠(yuǎn)超材料屈服強度269 MPa, 在此焊縫將產(chǎn)生裂紋, 這與軸向上沖擊試驗結(jié)果非常吻合。

3 電池架頂蓋結(jié)構(gòu)改進與沖擊有限元分析

3.1 結(jié)構(gòu)改進

圖8為結(jié)構(gòu)改進后頂蓋3D模型, 對比圖4, 有如下改進之處。

1) 增加6個頂蓋肋條。為增強頂蓋抗彎強度, 等間距布置6個頂蓋肋條。

2) 頂蓋設(shè)計上采用上蓋板整體折彎, 然后與加強筋、肋條拼焊成形。結(jié)構(gòu)改進前, 頂蓋上蓋板由左、上、右板平面焊接而成, 焊接后焊疤被打磨平整, 因此焊接處抗拉強度受影響。結(jié)構(gòu)改進后, 頂蓋上蓋板采用整體折彎成型, 最大程度保證上蓋板抗拉強度。

3.2 沖擊有限元模型

結(jié)構(gòu)改進后頂蓋抗彎強度增強, 頂蓋肋條受彎矩, 估計頂蓋肋條中部應(yīng)力較大, 故對頂蓋肋條處網(wǎng)格劃分較細(xì), 見圖9。結(jié)構(gòu)改進后頂蓋沖擊有限元模型其余參數(shù)設(shè)定與結(jié)構(gòu)改進前一致。

3.3 有限元仿真結(jié)果

頂蓋結(jié)構(gòu)改進后沖擊有限元仿真結(jié)果如圖10所示。與結(jié)構(gòu)改進前一樣, 脈沖載荷施加按半正弦形式設(shè)定, 載荷作用時間為1.5 ms。

0~1 ms, 載荷未施加, 頂蓋無形變; 1~2.5 ms, 施加載荷, 頂蓋中間凸起; 2.3 ms時, 頂蓋肋條正極連接片安裝方孔上方產(chǎn)生應(yīng)力集中, Mises應(yīng)力達到最大值633 MPa; 2.4 ms時產(chǎn)生最大形變量3.54 mm, 位于直流接觸器安裝位置附近, 如圖11所示; 2.5~5 ms, 由于頂蓋載荷移除, 頂蓋開始回彈、振蕩變形, 直至沖擊能量耗散為0。

整個仿真沖擊過程, 頂蓋絕大部分Mises應(yīng)力處于屈服強度269 MPa以下, 僅少數(shù)棱角處產(chǎn)生應(yīng)力集中, 屬于正常現(xiàn)象, 結(jié)構(gòu)改進后頂蓋沖擊強度滿足使用要求。

3.4 沖擊試驗驗證

沖擊前, 電池架外觀完整, 絕緣正常, 電池組電壓正常。沖擊后, 電池架外觀完整, 如圖12所示, 絕緣正常, 電池組總電壓正常, 電池單體電壓檢測正常, 電池組充放電試驗正常。結(jié)構(gòu)改進后電池架軸向沖擊強度滿足使用要求。

4 結(jié)束語

文中通過沖擊試驗和沖擊有限元分析相結(jié)合的方法, 對電動力魚雷二次電池組抗沖擊強度進行分析。沖擊試驗和沖擊有限元分析結(jié)果表明, 電池架頂蓋因抗彎強度不足遭嚴(yán)重破壞。通過對電池架頂蓋進行結(jié)構(gòu)改進及沖擊有限元仿真, 結(jié)果表明, 結(jié)構(gòu)改進后的電池架抗沖擊強度滿足使用要求, 沖擊試驗也證明仿真結(jié)果可靠。文中研究表明, 沖擊有限元仿真技術(shù)可以避免傳統(tǒng)電池架抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗環(huán)節(jié)資源的大量浪費, 在有效的有限元模型基礎(chǔ)上, 通過對部分結(jié)構(gòu)尺寸的反復(fù)修改、仿真分析、結(jié)果評價, 能夠使設(shè)計完成的電池架一次性通過沖擊試驗。

雖然結(jié)構(gòu)改進后電池架頂蓋略微增重，但依然滿足總體技術(shù)指標(biāo)。文中模擬空投發(fā)射入水沖擊試驗項目按各方向指標(biāo)獨立進行, 但魚雷入水時, 電池組所受沖擊并非單方向, 下一步工作將結(jié)合魚雷實際入水姿態(tài), 研究-方向(甚至--方向)上電池組的抗沖擊強度, 并借助Isight軟件對電池架頂蓋尺寸和質(zhì)量等參數(shù)進行優(yōu)化。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Analysis on Impact Strength of Secondary Battery Pack of Electric Torpedo

SHENG Zhao-hua

(Kunming Branch of the 705Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650106, China)

Safe and smooth discharge of secondary battery pack is a guarantee of normal navigation for an electric torpedo. The battery container is necessary to supply adequate space for battery monomer, and have certain impact strength as well to prevent internal short circuit of battery monomer caused by water-entry impact of torpedo’s air-dropped launching. In this study, water-entry impact test of air-dropped launching torpedo was conducted for the battery pack, and the results showed that the battery monomer was not damaged, but the battery container cover was seriously damaged. Then, the reason why the serious deformation of the container cover happens was analyzed by using impact finite element simulation, and the results indicated that the bending strength of the container cover was insufficient. Furthermore, the structure of the container cover was improved to enhance its bending strength, as a result, the battery pack in the improved container passed the subsequent impact test. This study may provide a reference for the impact resistance design of the battery pack.

electric torpedo; secondary battery pack; impact test; impact finite element simulation

盛兆華. 電動力魚雷二次電池組抗沖擊強度分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(3): 267-272.

TJ631.2；TG115.5

A

2096-3920(2018)03-0267-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.014

2018-01-25;

2018-03-08.

盛兆華(1992-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水下航行器電動力系統(tǒng)研制.