1為什么要做CAE分析
電池包安裝在車輛上，需要滿足汽車運營條件下的苛刻力學環(huán)境的要求。制作樣品進行實驗，得到結果以后再進行調整修改，再次打樣。這種傳統(tǒng)做法，周期長，成本高。另一個重要問題，即使出現(xiàn)了結構失效，由于影響因素比較多，并不能非常準確的得到結論。有可能出現(xiàn)，這次的試驗失效在這里，加強以后再試，旁邊的結構又出現(xiàn)新的問題。工程系統(tǒng)越來越復雜的今天，一兩次單純依靠經(jīng)驗的測試調整，已經(jīng)無法真正解決產(chǎn)品問題。
CAE，Computer Aided Engineering，計算機輔助工程，利用計算機對工程中的多個過程進行仿真優(yōu)化。人們借助計算機強大的運算能力，模擬現(xiàn)實應用的環(huán)境和受力狀態(tài)，預測當前設計結構的內(nèi)部應力狀態(tài)，設計調整優(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，一個理想的樣機生產(chǎn)程序已經(jīng)成型，初步結構設計——CAE仿真驗證——設計優(yōu)化——CAE再驗證——3D模型樣機。
CAE基本思路
將連續(xù)體離散化，把對連續(xù)體整體的分析轉化成對離散化單元的應力、位移、壓力和溫度等的分析過程。單元分析的結果，經(jīng)過后處理，將數(shù)據(jù)平滑化，重新結合到一起，反應一個有機整體的特性信息。
一個CAE軟件，它的單元種類越多，材料類型越多，就越能夠在更詳盡的細節(jié)上模擬真實工程狀態(tài)，得到更加準確的結構。
為了采用最接近真實設計的結構進行仿真，CAE軟件與常見的CAD軟件有數(shù)模導入接口。
2 CAE分析的主要類型
汽車行業(yè)結構設計需要的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、質量、剛度、阻尼、和模態(tài)振型作為參數(shù)，共同描述一個單自由度系統(tǒng)的動力學特性狀態(tài)，叫做系統(tǒng)的模態(tài)。
固有頻率：物體自由震動時的頻率，與初始條件無關，只與系統(tǒng)的質量、形狀、材質的剛度、楊氏模量有關。一個單一自由度的系統(tǒng)，只具有一個固有頻率。
模態(tài)分析：現(xiàn)實中的系統(tǒng)，都是多個單一自由度系統(tǒng)耦合的結果，表現(xiàn)為一個系統(tǒng)具有多個不同階次的固有頻率，或者叫共振頻率。模態(tài)分析，就是解耦這個多自由度系統(tǒng)成為多個相互獨立的單自由度系統(tǒng)，并確認每個單自由度系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析是一種參數(shù)識別技術。
模態(tài)分析通常比較關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，關注的階次到7級就可以滿足一般應用的要求。
什么是靜態(tài)分析？
載荷與系統(tǒng)相對靜止的內(nèi)應力分析過程，構建在載荷的作用下充分變形，達到穩(wěn)定狀態(tài)。
什么是動態(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)，關注的是系統(tǒng)的動力學特性。載荷是時間的函數(shù)。
什么是疲勞分析？
寬泛的疲勞，指結構在周期性應力的作用下，經(jīng)歷一段時間以后，沒有明顯傷痕的情況下，突然發(fā)生失效的現(xiàn)象。這里的應力可以是動態(tài)應力，也可以是熱應力。
疲勞相關的幾種分類
按激勵類型的不同，振動疲勞分為拉壓振動疲勞、扭轉振動疲勞和彎曲振動疲勞。若激勵頻率與結構共振頻率重合或接近使結構產(chǎn)生共振而導致疲勞稱為共振疲勞；反之，稱為非共振疲勞。按照激勵頻率與結構基頻的比值大小，振動疲勞分為高頻振動疲勞和低頻振動疲勞。
3電池包的CAE分析案例（模態(tài)，靜態(tài)，動態(tài)）
作者陶銀鵬在他的文章《CAE技術在電動汽車電池包設計中的應用》中，講述了動力電池包需要的CAE分析項目。
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；
將邊界條件設置在有限元模型上，包括載荷、約束和位移；
求解計算；
檢查計算結果，是否在項目參數(shù)要求范圍以內(nèi)，比如應力極限等；
如果結果滿足設計需求，則進行后處理，整理用于報告的材料圖形；
如果數(shù)據(jù)不滿足要求，則修改3d數(shù)模結構，從頭開始進行前面的流程。
具體實施過程，進行了三類分析，模態(tài)分析、靜態(tài)分析和動態(tài)分析。
3.2 模態(tài)分析
為了確定系統(tǒng)低階振動頻率，避免與工況中可能出現(xiàn)的頻率重合，產(chǎn)生共振，對結構造成破壞。
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，分析最大應力出現(xiàn)的位置以及最大應力值是否會超過允許的應力極限。案例是把顛簸同時緊急制動、和路面顛簸同時緊急轉彎的沖擊工況轉化成靜力分析。
對于機械沖擊的要求，在電池包安全標準《GB/T 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分 安全性要求與測試方法》中，只對z向提出了要求，具體是25g沖擊15s，3次，觀察2小時。
案例中自行設定的仿真參數(shù)為，制動減速度設置為g=9.8m/s^2，急轉彎時向心加速度取0.8g，z向動載荷系數(shù)取2.0。參數(shù)整體設置比較小。仿真過程中，網(wǎng)格完成劃分。仿真結果如下：
顛簸路面同時緊急制動
顛簸路面同時急轉彎
3.4 動態(tài)分析
動態(tài)分析按照定頻分析和掃頻分析兩步進行，電池模組與電池包殼體的固定連接設置成接觸約束，網(wǎng)格劃分，進行約束加載和計算，最后再查看結果。
定頻分析，將工況33Hz設置成振動頻率，加速度70m/s^2，根據(jù)這兩個初級輸入，計算定頻振動的振幅。使用這個定頻振動，計算上下，前后，左右三個方向的定頻分析。表格中數(shù)據(jù)單位為Mpa。設計選用材料的屈服極限為170.1Mpa。
掃頻分析，掃頻范圍17-200Hz，頻率變化按照線性規(guī)律。掃頻過程，就是尋找200Hz以下的系統(tǒng)共振頻率。結果，方形電池包找到了2個共振頻率：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，兩個結果并無矛盾。
參考文獻
1 陶銀鵬，CAE技術在電動汽車電池包設計中的應用;
2 谷理想，電動汽車電池包疲勞壽命預測關鍵技術研究;
3 蘇陽，電動車電池包振動疲勞分析;
4 GB/T 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分 安全性要求與測試方法.
來源：動力電池技術 寫
