基于ANSYS Workbench的電池包箱體有限元分析

譚麗輝　李春陽(yáng)

摘? ?要：文章使用ANSYS Workbench平臺(tái)對(duì)電池包箱體進(jìn)行靜、動(dòng)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(dòng)，發(fā)生彎曲變形，其動(dòng)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(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車唯一的能量來(lái)源，對(duì)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(guò)程中由于各種路面不平度，導(dǎo)致電池包時(shí)刻承受著來(lái)自路面的振動(dòng)激勵(lì)，對(duì)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(tái)，結(jié)合實(shí)際工況對(duì)電池包箱體進(jìn)行靜、動(dòng)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(gè)電池包呈較規(guī)則的長(zhǎng)方體。為了正確模擬力的傳遞路徑，將復(fù)雜的電池模組簡(jiǎn)化為較規(guī)則的方形體，同時(shí)將簡(jiǎn)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(dòng)識(shí)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(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)模擬。

電池包箱體分別通過(guò)兩側(cè)的3個(gè)掛點(diǎn)懸掛在汽車底盤上，故約束施加在箱體的兩側(cè)掛點(diǎn)上。本文是采用實(shí)體單元對(duì)箱體進(jìn)行有限元模型構(gòu)建的，只具備3個(gè)平動(dòng)自由度，故對(duì)掛點(diǎn)表面上的節(jié)點(diǎn)也僅約束3個(gè)平動(dòng)自由度。

為了考察電池包箱體結(jié)構(gòu)是否能夠保護(hù)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(duì)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(méi)有發(fā)生明顯的變形，最大變形量?jī)H為0.08 mm;在顛簸工況下，箱體上蓋受力明顯，最大變形量達(dá)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(duì)箱體上蓋變形的影響有限。綜上可見(jiàn)，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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6]，由靜態(tài)有限元分析結(jié)果可見(jiàn)，箱體上蓋是剛度薄弱件。

1.3? 模態(tài)分析結(jié)果

在車輛實(shí)際行駛過(guò)程中，電池包的受力是復(fù)雜多變的，對(duì)其動(dòng)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(xiǎn)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(dòng)，發(fā)生彎曲變形，可見(jiàn)其動(dòng)剛度不足，亟待加強(qiáng)。

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(lì)頻率。表2給出了3種常見(jiàn)路面對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率，可見(jiàn)，由路面不平度產(chǎn)生的激勵(lì)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(jì)要求。

2? ? 結(jié)語(yǔ)

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(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于路面不平度產(chǎn)生的激勵(lì)頻率27.78 Hz，綜上可見(jiàn)上蓋是箱體結(jié)構(gòu)的薄弱位置。

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