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干貨 | 動(dòng)力電池包CAE分析案例

2018-11-22 11:25:00

1為什么要做CAE分析

電池包安裝在車(chē)輛上，需要滿(mǎn)足汽車(chē)運(yùn)營(yíng)條件下的苛刻力學(xué)環(huán)境的要求。制作樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果以后再進(jìn)行調(diào)整修改，再次打樣。這種傳統(tǒng)做法，周期長(zhǎng)，成本高。另一個(gè)重要問(wèn)題，即使出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效，由于影響因素比較多，并不能非常準(zhǔn)確的得到結(jié)論。有可能出現(xiàn)，這次的試驗(yàn)失效在這里，加強(qiáng)以后再試，旁邊的結(jié)構(gòu)又出現(xiàn)新的問(wèn)題。工程系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的今天，一兩次單純依靠經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試調(diào)整，已經(jīng)無(wú)法真正解決產(chǎn)品問(wèn)題。

CAE，Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程，利用計(jì)算機(jī)對(duì)工程中的多個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真優(yōu)化。人們借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，模擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的環(huán)境和受力狀態(tài)，預(yù)測(cè)當(dāng)前設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)調(diào)整優(yōu)化的周期急劇縮減。配合以這兩年正在走向成熟的3D打印技術(shù)，一個(gè)理想的樣機(jī)生產(chǎn)程序已經(jīng)成型，初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——CAE仿真驗(yàn)證——設(shè)計(jì)優(yōu)化——CAE再驗(yàn)證——3D模型樣機(jī)。

CAE基本思路

將連續(xù)體離散化，把對(duì)連續(xù)體整體的分析轉(zhuǎn)化成對(duì)離散化單元的應(yīng)力、位移、壓力和溫度等的分析過(guò)程。單元分析的結(jié)果，經(jīng)過(guò)后處理，將數(shù)據(jù)平滑化，重新結(jié)合到一起，反應(yīng)一個(gè)有機(jī)整體的特性信息。

一個(gè)CAE軟件，它的單元種類(lèi)越多，材料類(lèi)型越多，就越能夠在更詳盡的細(xì)節(jié)上模擬真實(shí)工程狀態(tài)，得到更加準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。

為了采用最接近真實(shí)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，CAE軟件與常見(jiàn)的CAD軟件有數(shù)模導(dǎo)入接口。

2 CAE分析的主要類(lèi)型

汽車(chē)行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要的CAE分析：模態(tài)分析，靜態(tài)分析，疲勞分析。

什么是模態(tài)分析？

模態(tài)：固有頻率、質(zhì)量、剛度、阻尼、和模態(tài)振型作為參數(shù)，共同描述一個(gè)單自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性狀態(tài)，叫做系統(tǒng)的模態(tài)。

固有頻率：物體自由震動(dòng)時(shí)的頻率，與初始條件無(wú)關(guān)，只與系統(tǒng)的質(zhì)量、形狀、材質(zhì)的剛度、楊氏模量有關(guān)。一個(gè)單一自由度的系統(tǒng)，只具有一個(gè)固有頻率。

模態(tài)分析：現(xiàn)實(shí)中的系統(tǒng)，都是多個(gè)單一自由度系統(tǒng)耦合的結(jié)果，表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)具有多個(gè)不同階次的固有頻率，或者叫共振頻率。模態(tài)分析，就是解耦這個(gè)多自由度系統(tǒng)成為多個(gè)相互獨(dú)立的單自由度系統(tǒng)，并確認(rèn)每個(gè)單自由度系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析是一種參數(shù)識(shí)別技術(shù)。

模態(tài)分析通常比較關(guān)注接近載荷頻率附近的模態(tài)頻率，并且高階模態(tài)能量占比比較低，因此，關(guān)注的階次到7級(jí)就可以滿(mǎn)足一般應(yīng)用的要求。

什么是靜態(tài)分析？

載荷與系統(tǒng)相對(duì)靜止的內(nèi)應(yīng)力分析過(guò)程，構(gòu)建在載荷的作用下充分變形，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

什么是動(dòng)態(tài)分析？

分析系統(tǒng)在載荷不同作用狀態(tài)下的不同狀態(tài)參數(shù)，關(guān)注的是系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。載荷是時(shí)間的函數(shù)。

什么是疲勞分析？

寬泛的疲勞，指結(jié)構(gòu)在周期性應(yīng)力的作用下，經(jīng)歷一段時(shí)間以后，沒(méi)有明顯傷痕的情況下，突然發(fā)生失效的現(xiàn)象。這里的應(yīng)力可以是動(dòng)態(tài)應(yīng)力，也可以是熱應(yīng)力。

疲勞相關(guān)的幾種分類(lèi)

按激勵(lì)類(lèi)型的不同，振動(dòng)疲勞分為拉壓振動(dòng)疲勞、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)疲勞和彎曲振動(dòng)疲勞。若激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)共振頻率重合或接近使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振而導(dǎo)致疲勞稱(chēng)為共振疲勞；反之，稱(chēng)為非共振疲勞。按照激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)基頻的比值大小，振動(dòng)疲勞分為高頻振動(dòng)疲勞和低頻振動(dòng)疲勞。

3電池包的CAE分析案例（模態(tài)，靜態(tài)，動(dòng)態(tài)）

作者陶銀鵬在他的文章《CAE技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)電池包設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》中，講述了動(dòng)力電池包需要的CAE分析項(xiàng)目。

3.1 仿真流程

電池包整體CAE分析流程如下：

使用3D軟件建模；

單元格劃分，設(shè)置單元格材料屬性和單元其他性能參數(shù)；

確定工況，包括工況具體參數(shù)和邊界條件；

將邊界條件設(shè)置在有限元模型上，包括載荷、約束和位移；

求解計(jì)算；

檢查計(jì)算結(jié)果，是否在項(xiàng)目參數(shù)要求范圍以?xún)?nèi)，比如應(yīng)力極限等；

如果結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，則進(jìn)行后處理，整理用于報(bào)告的材料圖形；

如果數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足要求，則修改3d數(shù)模結(jié)構(gòu)，從頭開(kāi)始進(jìn)行前面的流程。

具體實(shí)施過(guò)程，進(jìn)行了三類(lèi)分析，模態(tài)分析、靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。

3.2 模態(tài)分析

為了確定系統(tǒng)低階振動(dòng)頻率，避免與工況中可能出現(xiàn)的頻率重合，產(chǎn)生共振，對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。

3.3 靜態(tài)分析

一般靜力分析，是系統(tǒng)受到靜力作用的情形，分析最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置以及最大應(yīng)力值是否會(huì)超過(guò)允許的應(yīng)力極限。案例是把顛簸同時(shí)緊急制動(dòng)、和路面顛簸同時(shí)緊急轉(zhuǎn)彎的沖擊工況轉(zhuǎn)化成靜力分析。

對(duì)于機(jī)械沖擊的要求，在電池包安全標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 31467.3-2015 電動(dòng)汽車(chē)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，只對(duì)z向提出了要求，具體是25g沖擊15s，3次，觀(guān)察2小時(shí)。

案例中自行設(shè)定的仿真參數(shù)為，制動(dòng)減速度設(shè)置為g=9.8m/s^2，急轉(zhuǎn)彎時(shí)向心加速度取0.8g，z向動(dòng)載荷系數(shù)取2.0。參數(shù)整體設(shè)置比較小。仿真過(guò)程中，網(wǎng)格完成劃分。仿真結(jié)果如下：

顛簸路面同時(shí)緊急制動(dòng)

顛簸路面同時(shí)急轉(zhuǎn)彎

3.4 動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析按照定頻分析和掃頻分析兩步進(jìn)行，電池模組與電池包殼體的固定連接設(shè)置成接觸約束，網(wǎng)格劃分，進(jìn)行約束加載和計(jì)算，最后再查看結(jié)果。

定頻分析，將工況33Hz設(shè)置成振動(dòng)頻率，加速度70m/s^2，根據(jù)這兩個(gè)初級(jí)輸入，計(jì)算定頻振動(dòng)的振幅。使用這個(gè)定頻振動(dòng)，計(jì)算上下，前后，左右三個(gè)方向的定頻分析。表格中數(shù)據(jù)單位為Mpa。設(shè)計(jì)選用材料的屈服極限為170.1Mpa。

掃頻分析，掃頻范圍17-200Hz，頻率變化按照線(xiàn)性規(guī)律。掃頻過(guò)程，就是尋找200Hz以下的系統(tǒng)共振頻率。結(jié)果，方形電池包找到了2個(gè)共振頻率：99.2Hz和177.2Hz都是在模態(tài)分析的3階頻率以上的高階頻率，兩個(gè)結(jié)果并無(wú)矛盾。

參考文獻(xiàn)

1 陶銀鵬，CAE技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)電池包設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;

2 谷理想，電動(dòng)汽車(chē)電池包疲勞壽命預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究;

3 蘇陽(yáng)，電動(dòng)車(chē)電池包振動(dòng)疲勞分析;

4 GB/T 31467.3-2015 電動(dòng)汽車(chē)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.

來(lái)源：動(dòng)力電池技術(shù) 寫(xiě)