高文英

(沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110045)

0 引言

在農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動(dòng)化嚴(yán)峻形勢(shì)下，結(jié)合能源、環(huán)境和工作效率自動(dòng)化的問(wèn)題，能源動(dòng)力轉(zhuǎn)型成為全球共識(shí)，發(fā)展大型農(nóng)場(chǎng)用電動(dòng)汽車已成為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的主攻方向。電池是農(nóng)場(chǎng)電動(dòng)汽車的能量?jī)?chǔ)存裝置，是電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，其好壞直接影響電動(dòng)汽車的安全性、功率密度、壽命以及成本等。針對(duì)農(nóng)場(chǎng)路面高低不平，動(dòng)力電池承受路面?zhèn)鬟f的機(jī)械沖擊，同時(shí)也承受路面隨機(jī)振動(dòng)載荷。因而，隨機(jī)振動(dòng)、疲勞和機(jī)械沖擊分析是對(duì)電池模組設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)之一。本文作者針對(duì)某農(nóng)場(chǎng)電動(dòng)汽車電池組進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，計(jì)算出各個(gè)組成部件的應(yīng)力、應(yīng)變和位移結(jié)果，為企業(yè)設(shè)計(jì)人員提供一種有效的設(shè)計(jì)分析方法。

1 隨機(jī)振動(dòng)分析方法

MSC.Nastran是世界上功能全面、性能超群、應(yīng)用廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的工程仿真分析。MSC.Patran擁有強(qiáng)大的有限元前處理功能，是世界公認(rèn)的集幾何訪問(wèn)、有限元建模、分析求解及數(shù)據(jù)可視化于一體的新一代框架式軟件系統(tǒng)[1]。

2 電池有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

使用CAD設(shè)計(jì)軟件和有限元前處理軟件MSC.Patran對(duì)電池模組CAD幾何模型進(jìn)行修復(fù)和簡(jiǎn)化[2-3]。針對(duì)電池模組CAD模型組件的特點(diǎn)，采用多種單元混合建模：殼單元、實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧①|(zhì)量單元等單元類型，劃分網(wǎng)格的基本尺寸為3 mm。最終簡(jiǎn)化的幾何模型和有限元模型如圖1所示。

圖1 幾何模型和有限元模型

2.2 載荷參數(shù)

載荷參數(shù)按照前期試驗(yàn)測(cè)試的輸入載荷進(jìn)行分析計(jì)算，試驗(yàn)測(cè)得電池模組在X、Y、Z方向的PSD功率譜密度如表1所示。

表1 X、Y、Z方向隨機(jī)振動(dòng)PSD功率譜密度

3 隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

電池模組X方向的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果RMS應(yīng)力云圖如圖2所示。

對(duì)電池模組X方向的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果各部件采用3-Sigma分析方法進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果如表2所示。電池模組在X和Z方向隨機(jī)振動(dòng)下，使用壽命預(yù)估為無(wú)限壽命，符合要求。

圖2 電池模組有限元梁/殼單元RMS應(yīng)力云圖

表2 X、Y、Z方向隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析預(yù)估結(jié)果

根據(jù)《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程》：每個(gè)方向的測(cè)試時(shí)間是21 h。在Y方向隨機(jī)振動(dòng)分析中，連接鎳片的使用壽命預(yù)估如式(1)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果約為55年。

(1)

式中：T為使用年限，y；N為壽命，h；t為測(cè)試時(shí)間，h。

電池模組在Z方向隨機(jī)振動(dòng)下，使用壽命符合要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中在隨機(jī)振動(dòng)工況下采用3-Sigma法來(lái)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)電池模組X、Y和Z3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)分析，結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)滿足隨機(jī)振動(dòng)工況下的強(qiáng)度要求和疲勞壽命要求，計(jì)算結(jié)果為機(jī)構(gòu)疲勞壽命的評(píng)估提供一定的理論支持。但是機(jī)構(gòu)在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，并考慮到材料的表面處理及其他因素影響，計(jì)算結(jié)果仍然會(huì)存在一定的誤差。若能與試驗(yàn)相結(jié)合，將能夠使結(jié)果更加完善、準(zhǔn)確。