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        基于ANSYS Workbench的電池包箱體有限元分析

        2019-10-21 07:41:42譚麗輝李春陽
        科學(xué)大眾 2019年8期
        關(guān)鍵詞:有限元

        譚麗輝 李春陽

        摘? ?要:文章使用ANSYS Workbench平臺對電池包箱體進行靜、動態(tài)有限元分析。由靜態(tài)有限元分析結(jié)果可知箱體上蓋在顛簸工況下受力較大,產(chǎn)生較大的變形量,由模態(tài)分析亦發(fā)現(xiàn)上蓋均呈現(xiàn)不同形式的上下振動,發(fā)生彎曲變形,其動剛度不足,故得到上蓋是箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置。

        關(guān)鍵詞:電池包箱體;上蓋;有限元

        動力電池作為純電動汽車唯一的能量來源,對整車性能影響尤為重要。通常由于車身空間限制,常以懸掛的方式安裝在汽車底盤下方。車輛行駛過程中由于各種路面不平度,導(dǎo)致電池包時刻承受著來自路面的振動激勵,對其抗震性、耐久性、電連接的可靠性、連接件防松性等提出了客觀要求[1-5]。

        本文基于ANSYS Workbench平臺,結(jié)合實際工況對電池包箱體進行靜、動態(tài)有限元分析,判斷箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置。

        1? ? 箱體有限元分析

        1.1? 有限元模型構(gòu)建

        圖1為某款電池包結(jié)構(gòu)示意,整個電池包呈較規(guī)則的長方體。為了正確模擬力的傳遞路徑,將復(fù)雜的電池模組簡化為較規(guī)則的方形體,同時將簡化的電池模組引入到電池包箱體,并將上蓋作透明處理,作為后續(xù)電池包箱體有限元分析模型。

        基于ANSYS Workbench軟件的網(wǎng)格剖分和接觸自動識別技術(shù),本文采用solid185單元在箱體厚度方向布置兩層網(wǎng)格,單元尺寸為20×20 mm,進行箱體結(jié)構(gòu)模擬。

        電池包箱體分別通過兩側(cè)的3個掛點懸掛在汽車底盤上,故約束施加在箱體的兩側(cè)掛點上。本文是采用實體單元對箱體進行有限元模型構(gòu)建的,只具備3個平動自由度,故對掛點表面上的節(jié)點也僅約束3個平動自由度。

        為了考察電池包箱體結(jié)構(gòu)是否能夠保護內(nèi)部電池模組和電氣連接安全。本文選擇了不同典型工況對箱體做靜態(tài)有限元分析。表1給出了典型靜態(tài)工況及加載方式(已包含重力加速度)。

        1.2? 靜態(tài)有限元分析結(jié)果

        在ANSYS Workbench中利用靜力學(xué)模塊可求得上述3種典型工況下電池包的變形分布情況。從電池包的變形情況可知,在急剎車工況下,下箱體前后受力明顯,但沒有發(fā)生明顯的變形,最大變形量僅為0.08 mm;在顛簸工況下,箱體上蓋受力明顯,最大變形量達到22.65 mm;在顛簸和急轉(zhuǎn)彎組合工況下,箱體上蓋依舊為主要受力區(qū),最大變形量為22.66 mm,與顛簸工況相比,急轉(zhuǎn)彎對箱體上蓋變形的影響有限。綜上可見,在顛簸工況下箱體上蓋受力較大,產(chǎn)生較大的變形量。依據(jù)電池包的靜力學(xué)特性評價標準[6],由靜態(tài)有限元分析結(jié)果可見,箱體上蓋是剛度薄弱件。

        1.3? 模態(tài)分析結(jié)果

        在車輛實際行駛過程中,電池包的受力是復(fù)雜多變的,對其動態(tài)特性的研究是必不可少的,最主要的是模態(tài)分析。

        基于Lanczos方法,本文提取箱體結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率,其中前三階固有頻率均低于30 Hz,一階固有頻率僅為13.66 Hz,發(fā)生共振的風(fēng)險較大。由前六階振型圖可知共振區(qū)域均發(fā)生在箱體上蓋,分別存在1~4處共振區(qū)域不等,上蓋均呈現(xiàn)不同形式的上下振動,發(fā)生彎曲變形,可見其動剛度不足,亟待加強。

        為避免共振情況發(fā)生,箱體上蓋一階頻率需高于路面的激勵頻率。表2給出了3種常見路面對應(yīng)的激勵頻率,可見,由路面不平度產(chǎn)生的激勵頻率最高為27.78 Hz,而箱體上蓋一階固有頻率僅為13.66 Hz,箱體上蓋的一階頻率需高于27.78 Hz,即滿足設(shè)計要求。

        2? ? 結(jié)語

        本文基于ANSYS Workbench軟件,由電池包的靜態(tài)有限元分析可知箱體上蓋在顛簸工況下受力較大,產(chǎn)生較大的變形量;而由動態(tài)有限元分析發(fā)現(xiàn)箱體上蓋一階固有頻率僅為13.66 Hz,遠遠低于路面不平度產(chǎn)生的激勵頻率27.78 Hz,綜上可見上蓋是箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置。

        [參考文獻]

        [1]孫小卯.某型電動汽車電池包結(jié)構(gòu)分析及改進設(shè)計[D].長沙:機械與運載工程學(xué)院,2013.

        [2]馮富春,史曉妍,劉麗榮,等.基于Ansys Workbench的動力電池箱體有限元分析[J].電源世界,2014(11):33-35.

        [3]儲毅,劉華鋒,趙明宇,等.基于FEM的電動汽車快換電池箱模態(tài)分析與優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化,2012(12):104-107.

        [4]郜效保.微型純電動汽車電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計與碰撞安全性研究[D].長沙:機械與運載工程學(xué)院,2016.

        [5]李明秋.電池包箱體的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].長春:吉林大學(xué),2017.

        [6]王芳,夏軍.電動汽車動力系統(tǒng)安全分析與設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2016.

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