汽車動(dòng)力電池箱體的CAE仿真介紹

這里介紹一下關(guān)于CAE在電池箱結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，偏重于闡述一些基本介紹，沒有圖片，請(qǐng)耐心觀看或跳過。

CAE軟件的主體是有限元分析（Finite Element Analysis）軟件，有限元方法的基本思路是把結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元表示復(fù)雜對(duì)象，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)數(shù)量也是有限的，所以 稱為有限元法。該方法靈活性較大，改變單元的數(shù)量可以使解得精確度改變，得到與真實(shí)情況無限接近的解。有人估算過CAE各階段花費(fèi)的時(shí)間：模型的建立和數(shù)據(jù)輸入在～45％左右，結(jié)果分析和評(píng)定大約50％左右，而真正的計(jì)算時(shí)間大約占據(jù)5％左右。

采用CAD工具建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，稱之為CAE前處理。前處理模塊主要用于給實(shí)體建模以及參數(shù)化建模，構(gòu)建的布爾運(yùn)算、單元自動(dòng)剖分、節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)參數(shù)生成、載荷與材料參數(shù)直接輸入有公式參數(shù)化導(dǎo)入、節(jié)點(diǎn)載荷自動(dòng)生成、模型信息自動(dòng)生成等。

之后就是有限元分析，對(duì)有限元模型進(jìn)行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統(tǒng)求解和有限元結(jié)果生成。有限元分析模塊包含有限元庫，材料庫和相關(guān)算法，約束處理算法，有限元系統(tǒng)組裝模塊，靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線性和非線性解法庫。通過分解成子問題，用不同的有限元分析子系統(tǒng)完成分析。子系統(tǒng)包括線性靜力分析子系統(tǒng)、動(dòng)力分析子系統(tǒng)、震動(dòng)模態(tài)分析子系統(tǒng)、熱分析子系統(tǒng)等等。

當(dāng)然，CAE結(jié)果也需要CAD技術(shù)生成圖形輸出，例如位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖形，表示應(yīng)力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨著機(jī)械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力分布的動(dòng)態(tài)顯示圖。后處理模塊包括數(shù)據(jù)平滑，個(gè)物理層的加工和現(xiàn)實(shí)，針對(duì)工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和規(guī)范校核，設(shè)計(jì)優(yōu)化與模型修改等，這些都可以看作是CAE后處理。

下圖是一般的CAE分析流程

電池包結(jié)構(gòu)的CAE分析一般有模態(tài)分析、靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、疲勞分析等。其中電池箱的CAE分析一般包括：

1、建立仿真模型

a）定義材料屬性。根據(jù)電池箱材料確定相關(guān)材料參數(shù)：密度、彈性模量、泊松比、強(qiáng)度極限等。進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析，采用線性彈性材料仿真時(shí)，一般要輸入材料的彈性模量、密度和泊松比，進(jìn)行軸向振動(dòng)沖擊仿真時(shí)，一般是材料的非線性，采用應(yīng)力－應(yīng)變曲線定義材料模型

b）劃分網(wǎng)格。例如采用Hypermesh對(duì)電池箱進(jìn)行數(shù)模處理和網(wǎng)格劃分。一般需要按照質(zhì)量要求劃分網(wǎng)格，使其單元長(zhǎng)寬比盡量接近1。同時(shí)處理好網(wǎng)格扭曲，例如，四邊形盡量接近正方形，如果扭曲避免，可采用細(xì)化網(wǎng)格減輕扭曲程度。翹曲問題可以采用翹曲條件和映射網(wǎng)格消除，不可避免時(shí)，也采用細(xì)化網(wǎng)格減輕翹曲。電池箱各部件的網(wǎng)格需要進(jìn)行交叉穿透檢查， 重負(fù)調(diào)整直到合格

c）定義相互作用、邊界條件、施加載荷。定義各部件之間的焊接、螺栓連接和多軸向振動(dòng)沖擊仿真時(shí)模塊與電池箱的接觸。邊界條件主要模擬電池箱和車體的連接，將螺栓連接孔的自由度全部約束

2、仿真分析

a）靜強(qiáng)度分析。電池箱不直接承受工作載荷，汽車在不平整路面行駛時(shí)，電池模塊晃動(dòng)產(chǎn)生的慣性沖擊力作用于電池箱內(nèi)壁，進(jìn)行有限元仿真時(shí)，把模塊的沖擊載荷通過動(dòng)載荷系數(shù)等效為靜載荷，均勻施加在電池箱內(nèi)壁。載荷工況分為：顛簸行駛并轉(zhuǎn)彎：根據(jù)汽車轉(zhuǎn)彎常見的加速度和路面不平產(chǎn)生的加速度來確定作用在側(cè)壁的載荷。顛簸行駛和剎車的載荷加載類似，但是此時(shí)載荷作用在另一側(cè)側(cè)壁。

b）剛度分析。主要考慮的工況為扭轉(zhuǎn)和玩去。當(dāng)電池箱結(jié)構(gòu)跨度較大時(shí)，容易產(chǎn)生形變。通過應(yīng)力云圖得出在扭轉(zhuǎn)或玩去載荷作用下，可以得到電池箱結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生破壞的地方。

c）模態(tài)分析。通過在底部添加質(zhì)量點(diǎn)來模擬電池模塊的質(zhì)量分布。模態(tài)分析目的是為了得到電池箱結(jié)構(gòu)的固有頻率，如果結(jié)構(gòu)固有頻率與定頻振動(dòng)測(cè)試的頻率接近，則需要對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改變其固有頻率，避免共振。

d）多軸向振動(dòng)沖擊仿真。定頻振動(dòng)時(shí)：包括上下、左右、前后，需要分別施加三個(gè)方向的載荷模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電池箱施加的激勵(lì)。把隨著時(shí)間變化的加速度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的位移來施加振動(dòng)載荷，振動(dòng)載荷加在拖腳處，即給拖腳部分施加一個(gè)隨著時(shí)間變化的強(qiáng)迫位移；掃頻振動(dòng)時(shí)：按照試驗(yàn)條件事假載荷。

e）疲勞分析。這需要整車CAE分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、電池箱材料的S－N（應(yīng)力－壽命曲線）、材料的疲勞極限圖、有效應(yīng)力集中因數(shù)、尺寸因數(shù)和表面質(zhì)量因數(shù)等參數(shù)。如果沒有足夠的實(shí)驗(yàn)參數(shù)支持，可以對(duì)電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬工況下的疲勞分析，即假設(shè)電池箱在真實(shí)約束狀況下受正弦交變載荷作用，分析此時(shí)的電池箱疲勞壽命。

f）碰撞性能。電池箱碰撞性能也需要整車碰撞數(shù)據(jù)支持，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值分析。

先介紹到這里，后面針對(duì)每一個(gè)方面還需要具體展開。

參考文獻(xiàn)

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NASTRAN蓄電池箱有限元分析與實(shí)測(cè)研究。李夕亮

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車用動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)CAE分析優(yōu)化研究。王麗娟

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基于CAE技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。張紅旗

作者：129Lab

審核編輯 黃昊宇