學習筆記|動力電池包CAE分析案例

03-30

1為什麼要做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境的要求。製作樣品進行實驗，得到結果以後再進行調整修改，再次打樣。這種傳統做法，周期長，成本高。另一個重要問題，即使出現了結構失效，由於影響因素比較多，並不能非常準確的得到結論。有可能出現，這次的試驗失效在這裡，加強以後再試，旁邊的結構又出現新的問題。工程系統越來越複雜的今天，一兩次單純依靠經驗的測試調整，已經無法真正解決產品問題。

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模擬優化。人們藉助計算機強大的運算能力，模擬現實應用的環境和受力狀態，預測當前設計結構的內部應力狀態，設計調整優化的周期急劇縮減。配合以這兩年正在走向成熟的3D列印技術，一個理想的樣機生產程序已經成型，初步結構設計——CAE模擬驗證——設計優化——CAE再驗證——3D模型樣機。

CAE基本思路

將連續體離散化，把對連續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，經過後處理，將數據平滑化，重新結合到一起，反應一個有機整體的特性信息。

一個CAE軟體，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上模擬真實工程狀態，得到更加準確的結構。

為了採用最接近真實設計的結構進行模擬，CAE軟體與常見的CAD軟體（CATIA、Pro/ENGINEER、UG等）有數模導入介面。

2 CAE分析的主要類型

汽車行業結構設計需要的CAE分析：模態分析，靜態分析，疲勞分析。

常見的應用軟體：ABAQUS、Solidworks Simulation 、ADINA、ALGOR 、ANSYS和MSC、MSC/ADAMS、HyperMeshs、Nastran。

什麼是模態分析？

模態：固有頻率、質量、剛度、阻尼、和模態振型作為參數，共同描述一個單自由度系統的動力學特性狀態，叫做系統的模態。

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，只具有一個固有頻率。

模態分析：現實中的系統，都是多個單一自由度系統耦合的結果，表現為一個系統具有多個不同階次的固有頻率，或者叫共振頻率。模態分析，就是解耦這個多自由度系統成為多個相互獨立的單自由度系統，並確認每個單自由度系統的模態參數。模態分析是一種參數識別技術。

模態分析通常比較關注接近載荷頻率附近的模態頻率，並且高階模態能量佔比比較低，因此，關注的階次到7級就可以滿足一般應用的要求。

什麼是靜態分析？

載荷與系統相對靜止的內應力分析過程，構建在載荷的作用下充分變形，達到穩定狀態。

什麼是動態分析？

分析系統在載荷不同作用狀態下的不同狀態參數，關注的是系統的動力學特性。載荷是時間的函數。

什麼是疲勞分析？

寬泛的疲勞，指結構在周期性應力的作用下，經歷一段時間以後，沒有明顯傷痕的情況下，突然發生失效的現象。這裡的應力可以是動態應力，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。

疲勞分析有三個主流軟體，Ncode，fatigue和fesafe。

3電池包的CAE分析案例（模態，靜態，動態）

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。

分析工作所用工具：有限元網格劃分和後期處理HyperMeshs，靜力學分析和模態分析Nastran，非線性分析Abaqus。

3.1 模擬流程

電池包整體CAE分析流程如下：

使用3D軟體建模；

將數模導入HyperMeshs;

單元格劃分，設置單元格材料屬性和單元其他性能參數；

確定工況，包括工況具體參數和邊界條件；

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，是否在項目參數要求範圍以內，比如應力極限等；

如果結果滿足設計需求，則進行後處理，整理用於報告的材料圖形；

如果數據不滿足要求，則修改3d數模結構，從頭開始進行前面的流程。

具體實施過程，進行了三類分析，模態分析、靜態分析和動態分析。

3.2 模態分析

為了確定系統低階振動頻率，避免與工況中可能出現的頻率重合，產生共振，對結構造成破壞。從HyperMeshs中導出網格劃分結果，導入Msc Nastran 進行計算，最後用HyperMeshs查看結果。項目進行了3階模態頻率分析，兩種結構類型電池包結果如下表。系統工作環境常見頻率為33Hz，前一版設計，固有頻率在環境頻率附近，經改進，避開了這個頻率。

3.3 靜態分析

一般靜力分析，是系統受到靜力作用的情形，分析最大應力出現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衝擊工況轉化成靜力分析。

對於機械衝擊的要求，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衝擊15s，3次，觀察2小時。

案例中自行設定的模擬參數為，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向動載荷係數取2.0。參數整體設置比較小。模擬過程中，網格在HyperMeshs中完成劃分，求解器使用Mac. Nastra。模擬結果如下：

顛簸路面同時緊急制動

顛簸路面同時急轉彎

3.4 動態分析

動態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，使用HyperMesh進行網格劃分，並使用其中的求解器Abaqus進行約束載入和計算，最後再用HyperMesh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，前後，左右三個方向的定頻分析。表格中數據單位為Mpa。設計選用材料的屈服極限為170.1Mpa。

掃頻分析，掃頻範圍17-200Hz，頻率變化按照線性規律。掃頻過程，就是尋找200Hz以下的系統共振頻率。結果，方形電池包找到了2個共振頻率：99.2Hz和177.2Hz都是在模態分析的3階頻率以上的高階頻率，兩個結果並無矛盾。

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第3部分安全性要求與測試方法.

（圖片來自互聯網公開資料）