張克鵬

浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 浙江杭州 310051

1 前言

新能源汽車電池包的隔熱散熱關(guān)系到電池安全及經(jīng)歷長期工況后的一致性問題，影響系統(tǒng)安全性和可靠性。電池熱管理機組作為控制電池包溫度的關(guān)鍵部件之一，機組內(nèi)部布置了大量的管路和其他零部件，這些零部件通過螺栓或焊接的方式與機組鈑金框架相連。整個機組受到車輛不同運行工況下的激勵載荷，如果載荷頻率與電池熱管理機組某一階固有頻率接近或相同，可能會引起共振，導致局部應(yīng)力過大，零部件及系統(tǒng)可靠性大大降低。GB/T 21361-2008《汽車用空調(diào)器》對汽車用空調(diào)器振動試驗的要求作了明確規(guī)定。

文中利用HyperMesh軟件建立整個電池熱管理機組的有限元模型，利用ABAQUS求解器進行系統(tǒng)的模態(tài)和諧響應(yīng)分析，根據(jù)分析結(jié)果判定設(shè)計方案的可靠性和合理性。

2 電池熱管理機組的有限元模型建立

2.1 幾何模型建立

幾何模型是建立CAE有限元模型的基礎(chǔ)，在SolidWorks中建立如圖1所示的幾何模型，為便于有限元前處理，將模型導出為.stp格式。

電池熱管理機組主要由安裝腳、鈑金框架、內(nèi)部管路、板式換熱器、壓縮機、冷凝器、PTC加熱器、風機等部件組成，電池熱管理機組如圖1所示。

2.2 有限元模型建立

針對電池熱管理機組，筆者采用主流CAE前處理軟件HyperMesh進行網(wǎng)格劃分[1]。在進行網(wǎng)格劃分時，根據(jù)部件的幾何特征，鈑金結(jié)構(gòu)、管路使用殼單元，非考核部件如板式換熱器、壓縮機、PTC加熱器、風機使用殼單元+附加質(zhì)量模擬，使其質(zhì)量與質(zhì)心位置與實際相同。單元類型為S3和S4R, 單元基本尺寸設(shè)為10 mm；冷凝器用六面體單元，單元類型為C3D8R，單元基本尺寸設(shè)為8 mm；螺栓用MPC替代，由于模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析是線性分析技術(shù)，非線性的接觸設(shè)置不起作用，因此部件間接觸采用Tie模擬。最終有限元模型共有節(jié)點數(shù)62 858，單元數(shù)65 696，電池熱管理機組有限元模型如圖2所示，局部細節(jié)圖如圖3所示。

圖1 某新能源汽車電池熱管理機組

圖2 電池熱管理機組有限元模型

圖3 電池熱管理機組局部有限元模型

3 電池熱管理機組的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。模態(tài)分析也是響應(yīng)譜分析和模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析必需的前期分析過程。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用，是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法[2-3]。本次分析采用ABAQUS求解器及分塊Lanczos方法進行求解。

3.1 材料設(shè)定

在電池熱管理機組中，參照圖1，其中安裝腳、鈑金框架、內(nèi)部管路、板式換熱器、壓縮機、PTC加熱器的材料為碳鋼Q235，冷凝器的材料為鋁合金3003，風機的材料為ABS塑料，計算中用到的材料屬性如表1所示。

表1 電池熱管理機組材料屬性

3.2 約束邊界條件

電池熱管理機組兩側(cè)有安裝腳與框架相連，每側(cè)安裝腳各有兩個螺栓孔。如圖4紅色虛線框所示，約束螺栓孔處節(jié)點的1~6自由度。

圖4 熱管理機組的安裝腳約束示意圖

3.3 模態(tài)分析

GB/T 21361-2008《汽車用空調(diào)器》振動試驗方法中規(guī)定振動試驗頻率為33 Hz或67 Hz。提取的模態(tài)頻率范圍應(yīng)將其包含在內(nèi)，設(shè)定提取模態(tài)數(shù)0～20階，提交ABAQUS求解器進行求解，得到模態(tài)頻率值如表2所示，若提取模態(tài)不足可重新設(shè)定更高階數(shù)。圖5為電池熱管理機組前4階模態(tài)振型

表2 電池熱管理機組的固有頻率

電池熱管理機組通過安裝腳與振動試驗臺相連，從模態(tài)分析結(jié)果來看，第13階模態(tài)頻率和GB/T 21361-2008《汽車用空調(diào)器》振動試驗方法中規(guī)定的試驗頻率67 Hz一致，有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 電池熱管理機組的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)是結(jié)構(gòu)在周期載荷作用下產(chǎn)生的周期響應(yīng)。諧響應(yīng)分析能夠預測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。諧響應(yīng)分析計算結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)，可以觀察到峰值響應(yīng)頻率對應(yīng)的應(yīng)力。諧響應(yīng)分析是線性分析技術(shù)，任何非線性特性將被忽略[4]。本次分析采用ABAQUS求解器及模態(tài)疊加法進行求解。

4.1 載荷邊界條件

按GB/T 21361-2008《汽車用空調(diào)器》振動試驗方法的規(guī)定，表3給出了33 Hz和67 Hz時電池熱管理機組的載荷及加載方向。

表3 電池熱管理機組載荷及加載方向

4.2 諧響應(yīng)分析

電池熱管理機組在受到加速度簡諧載荷時，因框架與壓縮機、換熱器等零部件的固定板均是鈑金結(jié)構(gòu)，這些鈑金件受破壞風險最大，影響安裝在上面部件的安全運行。因此，文章諧響應(yīng)分析時，主要考察電池熱管理機組的鈑金件[5]。

圖5 電池熱管理機組前4階振型云圖

圖6～8為電池熱管理機組在激勵頻率33 Hz時3種工況下的應(yīng)力云圖。從計算分析結(jié)果來看，橫向X載荷工況下，其最大應(yīng)力為110.5 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在背面鈑金與底殼鈑金的中間連接螺栓孔附近；縱向Y載荷工況下，其最大應(yīng)力為59.9 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向Z載荷工況下，其最大應(yīng)力為86.2 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近。

圖8 33 Hz縱向Z工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

圖9～11為電池熱管理機組在激勵頻率67 Hz時3種工況下的應(yīng)力云圖。

從計算分析結(jié)果來看，橫向X載荷工況下，其最大應(yīng)力為53.7 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在正面鈑金與進出水口相連位置；縱向Y載荷工況下，其最大應(yīng)力為75.5 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向Z載荷工況下，其最大應(yīng)力為111.9 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在出口管和高壓加注口相連位置。

兩種激勵頻率、3個載荷方向工況下，電池熱管理機組的最大應(yīng)力均未超過其材料的屈服強度235 MPa。

5 結(jié)語

文章以某電池熱管理機組為研究對象，運用SolidWorks建立了機組幾何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用ABAQUS求解器進行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析表明，各工況下機組最大應(yīng)力均未超過材料屈服強度，整體滿足設(shè)計要求。

圖9 67 Hz橫向X工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

圖10 67 Hz垂向Y工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

圖11 67 Hz縱向Z工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

文章對某新能源輕卡電池熱管理機組進行模態(tài)分析后，發(fā)現(xiàn)機組存在與試驗頻率67 Hz相同的模態(tài)頻率，后期還需進行優(yōu)化設(shè)計，避開共振區(qū)域。