武艷波， 許江文， 任麗娟

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西漢中723102)

基于ANSYS的熱電池組合結(jié)構(gòu)有限元動態(tài)分析

武艷波1， 許江文1， 任麗娟2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西漢中723102)

隨著熱電池結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，熱電池組合結(jié)構(gòu)在承受振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境中，所表現(xiàn)出的力學(xué)動態(tài)特性對熱電池組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)價值。熱電池組合結(jié)構(gòu)本身具有一定的剛性和固有頻率，這些特性均是熱電池組合結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計中的重要參數(shù)。為了避免外力頻率和固有頻率相同而發(fā)生共振，采用ANSYS workbench12.0建立了熱電池組合結(jié)構(gòu)的有限元模型，并基于該模型，對熱電池組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)強(qiáng)度分析以及模擬力學(xué)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析。

熱電池；組合結(jié)構(gòu)；有限元

隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的計算機(jī)仿真技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，有限元法是設(shè)計分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)最有效的手段，有限元法和CAD技術(shù)是國內(nèi)外廣泛采用的現(xiàn)代設(shè)計理論方法，是提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、降低成本、縮短設(shè)計周期和提高工作效率，減少設(shè)計盲目性的有力工具，更是企業(yè)提高應(yīng)變能力、參與竟?fàn)幍谋匾侄巍?/p>

熱電池主要用于導(dǎo)彈、火箭等現(xiàn)代武器?，F(xiàn)代武器的快速發(fā)展對熱電池提出了更新、更高的要求，單元熱電池已經(jīng)逐漸無法滿足長壽命、大功率的要求，隨著熱電池研究的不斷深化，熱電池組將是熱電池技術(shù)發(fā)展的主要方向，組合結(jié)構(gòu)是熱電池組設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境是機(jī)械結(jié)構(gòu)常遇到的問題，會造成結(jié)構(gòu)疲勞而導(dǎo)致破壞。熱電池組合結(jié)構(gòu)力學(xué)傳遞的動態(tài)特性決定其使用過程中承受振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境的能力，必須通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計避免或降低力學(xué)環(huán)境對關(guān)鍵元件、承力薄弱部分等的影響；不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅影響整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且會直接影響熱電池的電性能。結(jié)構(gòu)本身具有某種程度的剛度，其固有頻率及模態(tài)是結(jié)構(gòu)受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，避免外力頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率相同，以防止發(fā)生共振[1]。

本文基于有限元理論，以有限元分析軟件ANSYS為平臺，對熱電池組結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元動態(tài)分析，將先進(jìn)的設(shè)計分析應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為設(shè)計經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定和高性能的熱電池組提供了有效的手段。

1 結(jié)構(gòu)分析的有限元法

機(jī)械和結(jié)構(gòu)中的振動有些對我們有利，有些對我們有害，因此，必須對振動體本身的振動特性以及它對外激勵力的響應(yīng)有明確的認(rèn)識。振動要解決的問題主要有兩個方面：一是尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型；二是分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型只與結(jié)構(gòu)的剛度特性和質(zhì)量分布有關(guān)，因此，可用自由振動微分方程來分析它們[2]：

各節(jié)點的動位移隨時間的變化為：

消去sin(ω+α)，得：

在數(shù)學(xué)中，這是廣義特征值問題。若結(jié)構(gòu)發(fā)生自由振動，它應(yīng)當(dāng)有非零解，有：

式(4)是關(guān)于ω2的高次代數(shù)方程，通常叫做多自由度體系自由振動頻率方程，它求解的特征值和特征向量分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)振動的固有頻率和振型，它的次數(shù)等于結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)。

2 熱電池組結(jié)構(gòu)分析

2.1 熱電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池組外形尺寸(不含連接器)為312 mm×155 mm×78 mm。電池組由4只Φ70 mm×144 mm單元電池組成，用上、下固定板固定單元電池，用拉桿、支撐桿拉緊單元電池。熱電池組質(zhì)量約6.5 kg，用Pro/ENGINEER對熱電池組進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 電池組三維模型

熱電池組中除單元電池外其余結(jié)構(gòu)件均使用牌號為2A12的鋁合金材料。常溫下，這些材料的性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

2.2 有限元模型

采用ANSYS workbench12.0對熱電池組進(jìn)行有限元分析，將單體電池簡化成質(zhì)量單元，拉桿簡化成梁單元，螺栓連接處簡化成梁單元和剛性單元，采用實體單元對整個組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型中節(jié)點總數(shù)為110 142；單元總數(shù)為51 805，有限元模型如圖2所示。

圖2 電池組結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 靜力學(xué)分析

2.3.1 邊界條件

(1)載荷

對整個模型分別施加X、Y、Z三個方向加速度值為27 g，時間為1 min的載荷。

(2)約束

根據(jù)熱電池組的實際工作情況，約束熱電池組安裝腳內(nèi)安裝孔的所有徑向位移、水平位移及扭轉(zhuǎn)。

2.3.2 靜力學(xué)計算結(jié)果

熱電池組相當(dāng)于第四強(qiáng)度理論校核的Von Mises最大應(yīng)力值為14.357 MPa，小于屈服強(qiáng)度274 MPa，分布如圖6紅色區(qū)域所示，在熱電池組工作的方向上，位置位于電池組安裝腳上。最大位移為0.008 051 mm，變形也相當(dāng)小。從靜力學(xué)分析可以看出，結(jié)構(gòu)滿足剛強(qiáng)度要求。靜強(qiáng)度分析計算結(jié)果見表2，方向仿真結(jié)果如圖3、4。

表2 靜強(qiáng)度分析計算結(jié)果

圖3 方向整體位移變形云圖

圖4 方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.4 模態(tài)分析

模態(tài)分析一般是用于確定設(shè)計中的結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性。它也是其他更詳細(xì)動力學(xué)分析的起點。通過模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)部件的固有頻率和振型。對于在動力加載條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，模態(tài)分析是非常重要的參數(shù)。

本結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析采用模態(tài)迭加法，對熱電池組進(jìn)行前6階模態(tài)計算，如表3所示。并列出前三階模態(tài)振型，如圖5～7所示。

表3 熱電池組的前6階頻率

2.5 隨機(jī)振動分析

機(jī)械振動的動載荷增大，有害的振動會降低熱電池組的工作性能和產(chǎn)品質(zhì)量，過大的動載荷會造成熱電池組的破壞。熱電池組的隨機(jī)振動歷來比較嚴(yán)酷，因此對熱電池組進(jìn)行了有限元分析。隨機(jī)振動的輸入載荷按表4中的條件施加，然后進(jìn)行分析。

圖5 第1階模態(tài)振型

圖6 第2階模態(tài)振型

圖7 第3階模態(tài)振型

表4 隨機(jī)振動實驗條件

熱電池組承受振動時的最大應(yīng)力值為57.84 MPa，小于屈服強(qiáng)度274 MPa，分布如圖18紅色區(qū)域所示，在熱電池組工作的方向上，位置位于電池組安裝腳上。最大位移為0.038 675 mm，變形也相當(dāng)小。仿真計算結(jié)果如圖8～13和表5。

表5 隨機(jī)振動分析計算結(jié)果

圖8 方向整體位移變形云圖

3 結(jié)論

通過對電池組仿真計算可以看出，熱電池組的基頻為1 132.5 Hz，表明結(jié)構(gòu)的力學(xué)傳遞特性較好。靜強(qiáng)度分析可以看出，結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，靜強(qiáng)度滿足要求；結(jié)構(gòu)動態(tài)仿真計算結(jié)果分析可以看出，該結(jié)構(gòu)設(shè)計在承受實際力學(xué)環(huán)境時，由于結(jié)構(gòu)力學(xué)傳遞特性的影響，在某些部位承受的力學(xué)量級出現(xiàn)一定放大，但均在設(shè)計裕度內(nèi)。

圖9 方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 方向整體位移變形云圖

圖11 方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖12 方向整體位移變形云圖

圖13 方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

[1]趙經(jīng)文，王宏鈺．結(jié)構(gòu)有限元分析[M]．北京：科學(xué)出版社，2001：27-38.

[2]李景湧.有限元法[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002：14-19.

Research of dynamic analysis of thermal battery structure with finite element method based on ANSYS

With the development of thermal batteries structure technology,the dynamic characteristic presenting under the mechanical environment of vibrates and impact,had an important guideline value for designing the combination structure of thermal battery.The combination structure of thermal battery in itself had a certain degree of rigid and natural frequency,which were the important design parameter for dynamic loading.To avoid the resonance as foreign frequency was close to natural frequency,a finite element model of thermal battery combination structure by ANSYS workbench12.0 was built. Based on the model, the static strength and dynamic characteristic under a simulation mechanical environment were studied.

thermal battery;combination structure;finite element method

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2150-03

2015-03-19

武艷波(1982—)，女，山西省人，工程師，主要研究方向為熱電池。