韓明軒，張洪信

(青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

對(duì)于純電動(dòng)汽車的電池箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真可以快速分析出電池箱的安全性能。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的重要儲(chǔ)能部件，其電池箱在高溫、振動(dòng)沖擊下能否正常運(yùn)作顯得格外重要，它的使用安全會(huì)直接影響汽車整車的安全與壽命。目前，電池箱的響應(yīng)數(shù)值分析通常要考慮的是箱體動(dòng)強(qiáng)度分析[1-2]。最近幾年，很多研究人員通過有限元分析來檢測(cè)電池箱的安全，并對(duì)電池箱做了大量的工作。安徽某公司的趙久志等人對(duì)動(dòng)力電池總成的殼體結(jié)構(gòu)建立了三維實(shí)體模型，之后將三維模型導(dǎo)入 Hypermesh 中，建立動(dòng)力電池殼體結(jié)構(gòu)的有限元模型[3]。XIA Yong等人對(duì)鋰離子電池箱的底部碰撞進(jìn)行了綜合研究，提出了對(duì)電池箱底部碰撞的試驗(yàn)方法，建立了動(dòng)力電池箱在有穿孔過程中的沖擊過程、裂紋傳播和電池單體的局部失效模式，研究電池包底部碰撞涉及到的參數(shù)，以提高底部碰撞安全性[4]。吉林大學(xué)的李明秋基于 ANSYS Workbench 平臺(tái)建立動(dòng)力電池箱的三維實(shí)體有限元模型，結(jié)合極限和實(shí)際工況，對(duì)電池箱進(jìn)行機(jī)械沖擊分析、模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，根據(jù)分析結(jié)果改善了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]。我國(guó)每年交通事故的死亡人數(shù)高達(dá)數(shù)萬(wàn)人，因此有必要加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車交通事故形態(tài)的研究并探討相應(yīng)的對(duì)策。

本文運(yùn)用類似的方法對(duì)電池箱進(jìn)行有限元分析，在電池箱設(shè)計(jì)上考慮電池箱機(jī)械沖擊工況和振動(dòng)工況。動(dòng)態(tài)沖擊工況和振動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)為GB/T31467.3—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》。首先對(duì)靜態(tài)沖擊工況應(yīng)用靜力學(xué)分析，其計(jì)算效率較高，根據(jù)仿真結(jié)果可對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，以達(dá)到改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目的。振動(dòng)工況根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定需對(duì)電池箱進(jìn)行z、y、x方向即垂向、橫向、縱向的振動(dòng)分析。通過對(duì)電池箱各個(gè)方向的檢測(cè)，判斷滿足屈服應(yīng)力的條件下電池箱是否安全。

1 電池箱有限元模型建立

1.1 幾何模型的建立

根據(jù)企業(yè)所給研究對(duì)象的二維參數(shù)，將電池箱的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并運(yùn)用CAD軟件進(jìn)行三維的建模，這樣會(huì)比在有限元軟件中建立模型更加高效且操作簡(jiǎn)便，見圖1。

圖1 電池箱CAD視圖

1.2 電池箱有限元模型建立

1)建立三維模型，將文件轉(zhuǎn)成IGES格式，并將圖形導(dǎo)入到Hypermesh中，開始有限元分析。

2)對(duì)幾何模型再次進(jìn)行清理與簡(jiǎn)化。有限元模型是對(duì)實(shí)際模型的近似模擬，只要在不影響電池箱整體性能和力學(xué)性能的情況下，可以刪除并清理一些電池箱上比較難處理的地方，這樣不會(huì)影響電池箱在有限元測(cè)試中的應(yīng)力變化。

3)對(duì)模型進(jìn)行顯隱化并抽取中面。將模型導(dǎo)入Hypermesh中，把模型分為兩大部分，一個(gè)是下殼體，另一個(gè)是上蓋。分別將這兩部分顯隱化并對(duì)它們抽取中面，再對(duì)其進(jìn)行前處理。

4)對(duì)下殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計(jì)算的精準(zhǔn)性，在單元類型的選擇上通常選擇四邊形為主、三角形為輔的方法進(jìn)行劃分，并且希望誤差較小。選擇單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)為5mm的四邊形進(jìn)行劃分。再次隱藏下殼體并對(duì)上蓋進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，同樣選擇邊長(zhǎng)為5mm的四邊形進(jìn)行劃分，修正網(wǎng)格并且得到網(wǎng)格較好的網(wǎng)格劃分。圖2給出了已經(jīng)劃分完網(wǎng)格的電池箱。

圖2 電池箱網(wǎng)格劃分

5)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，通過表1的單元質(zhì)量檢查規(guī)范，發(fā)現(xiàn)電池箱的網(wǎng)格劃分良好。

表1 單元質(zhì)量檢查規(guī)范

6)材料的選取。本文中電池箱選取的材料為A3鋼，其具體的材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

2 機(jī)械沖擊下工況分析

2.1 分析過程

在Optistruct求解器下施加25G重力場(chǎng)，方向是垂直于地面向下的，并且創(chuàng)建GRAV類型載荷集。除去重力場(chǎng)以外，各方向不加以外力，其中N1、N2、N3代表x、y、z3個(gè)方向。G為比例參數(shù)，實(shí)際載荷大小為G×N，這里的25G重力場(chǎng)依據(jù)國(guó)標(biāo)動(dòng)態(tài)沖擊最大值加載。

2.2 機(jī)械沖擊結(jié)果

將用力結(jié)果導(dǎo)入后處理Hyperview中。電池箱在沖擊載荷下的應(yīng)力云圖如圖3所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。電池箱所受機(jī)械沖擊的最大應(yīng)力處于電池箱y軸方向的下殼體最上端，最大應(yīng)力為39.3MPa。在電池箱屈服應(yīng)力內(nèi)，電池箱未出現(xiàn)破損現(xiàn)象。

圖3 機(jī)械沖擊下電池箱1σ應(yīng)力云圖

3 隨機(jī)振動(dòng)下工況分析

3.1 振動(dòng)理論

根據(jù)振動(dòng)理論可知，電池箱結(jié)構(gòu)在線性范圍內(nèi)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)微分方程都具有特定頻率的自由振動(dòng)，N個(gè)運(yùn)動(dòng)微分方程組合后的頻率即為該結(jié)構(gòu)的固有頻率，其振動(dòng)形態(tài)可由結(jié)構(gòu)模態(tài)振型和模態(tài)阻尼來表示[6]。n個(gè)自由度隨機(jī)振動(dòng)的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

式中ξ和γ分別表示阻尼比和陣型參與系數(shù)。同時(shí)可得模態(tài)向量ui在時(shí)間域內(nèi)的解為

(4)

式中hi(τ)為脈沖向量函數(shù)，且ui和X(t)的關(guān)系為

(5)

將式(4)和式(5)聯(lián)立，得

(6)

(7)

由于公式計(jì)算過于復(fù)雜，簡(jiǎn)化公式可得

(8)

同時(shí)得到響應(yīng)均方值：

(9)

電池箱受到振動(dòng)以后，所受應(yīng)力滿足零均值高斯分布，求得其標(biāo)準(zhǔn)差，從而獲得響應(yīng)值的分布概率[7]。

3.2 分析過程

首先加以約束。在電池箱兩側(cè)4個(gè)固定孔處分別加以約束x、y、z3方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。除此之外加以加速度激勵(lì)，激勵(lì)方向?yàn)殡姵叵浯瓜蚍较?，即垂直于路面，大小? 810mm/s2，并在Load collector中添加一個(gè)幅值為1的正弦曲線，最后將它們?nèi)繉?dǎo)入Rload1中，使激勵(lì)和加載曲線進(jìn)行組合。同理分別設(shè)置對(duì)電池箱橫向方向和縱向方向的Load collector，并定義RANDOM分析步，與箱體垂向方向的振動(dòng)工況步驟類似。

參考 GB /T 31467. 3—2015《電動(dòng)汽車車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分: 安全性要求與測(cè)試方法》中的振動(dòng)試驗(yàn)要求，對(duì)汽車前部電池箱的x、y和z軸3個(gè)方向進(jìn)行穩(wěn)態(tài)隨機(jī)激勵(lì)，其PSD值如表3所示。電池箱的x、y和z軸3個(gè)方向加速度的均方根值分別為0.96g、0.95g、1.44g(g為重力加速度)。

表3 加載激勵(lì)PSD值

3.3 隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果

求解分析后，將Optistruct應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入后處理Hyperview中，得到在垂直方向工況下電池箱箱體的最大應(yīng)力，即1σ應(yīng)力是12.52MPa，3σ應(yīng)力是37.56MPa，應(yīng)力值較小。箱體縱向方向振動(dòng)工況輸出設(shè)置與箱體垂向方向振動(dòng)工況步驟類似，得到電池箱箱體的最大應(yīng)力，即1σ應(yīng)力是22.46MPa，3σ應(yīng)力是67.38MPa，整體應(yīng)力水平較低。同理箱體橫向方向也是按照此步驟進(jìn)行處理，得到1σ應(yīng)力為7.447MPa，3σ應(yīng)力為22.341MPa，整體應(yīng)力水平較低。3個(gè)方向應(yīng)力均遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力235MPa，3個(gè)隨機(jī)振動(dòng)如圖4-圖6所示。

圖4 垂向激勵(lì)下電池箱1σ應(yīng)力

圖5 縱向激勵(lì)下電池箱1σ應(yīng)力

圖6 橫向激勵(lì)下電池箱1σ應(yīng)力

4 結(jié)語(yǔ)

電池箱的安全性能決定整車的安全性。由于電池箱的內(nèi)部比較復(fù)雜，受力分析也很復(fù)雜，所以本文基于有限元分析的方法對(duì)某企業(yè)的電池箱在隨機(jī)振動(dòng)以及機(jī)械沖擊下進(jìn)行分析，運(yùn)用三維軟件進(jìn)行三維幾何建模，分析電池箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將模型導(dǎo)入Hypermesh中，在不影響分析結(jié)果的情況下對(duì)電池箱進(jìn)行簡(jiǎn)化，抽取中面，劃分網(wǎng)格并定義材料屬性，從而建立有限元模型。在機(jī)械沖擊的工況下，電池箱所受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力。對(duì)電池箱的垂向、橫向和縱向分別做隨機(jī)振動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)，得到3組仿真所受到的應(yīng)力均小于材料屈服應(yīng)力的結(jié)果，說明其結(jié)構(gòu)可靠，可以完整通過隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并為汽車在隨機(jī)路面下隨機(jī)振動(dòng)提供了計(jì)算方法[8]。