某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組振動分析

鄭明超 蔡培裕 張克鵬 嚴柏熠

（浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司）

新能源汽車電池包的隔熱散熱關(guān)系到電池的安全性、經(jīng)歷長期工況后的性能一致性及系統(tǒng)可靠性。電池?zé)峁芾頇C組作為控制電池包溫度的關(guān)鍵部件之一，機組內(nèi)部布置了大量的管路和其他零部件，這些零部件通過螺栓或焊接的方式與機組鈑金框架相連。整個機組受到汽車不同運行工況下的激勵載荷作用，如果載荷頻率與電池?zé)峁芾頇C組某一階固有頻率接近或相同，就可能會引起共振，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，零部件及系統(tǒng)可靠性大大降低。GB/T21361—2008對汽車用空調(diào)器振動試驗的要求作出了明確規(guī)定。文章利用HyperMesh建立整個電池?zé)峁芾頇C組的有限元模型，利用ABAQUS求解器進行系統(tǒng)的模態(tài)和諧響應(yīng)分析，根據(jù)分析結(jié)果判定設(shè)計方案的可靠性和合理性。

1 電池?zé)峁芾頇C組的有限元模型建立

1.1 幾何模型建立

幾何模型是建立CAE有限元模型的基礎(chǔ)，在SolidWorks中建立某電池?zé)峁芾頇C組幾何模型，如圖1所示。為便于有限元前處理，將模型導(dǎo)出為.step格式。

圖1 某電池?zé)峁芾頇C組幾何模型圖

1.2 有限元模型建立

針對電池?zé)峁芾頇C組，文章采用主流CAE前處理軟件HyperMesh進行網(wǎng)格劃分[1]。在進行網(wǎng)格劃分時，根據(jù)部件的幾何特征，鈑金結(jié)構(gòu)（安裝腳和鈑金框架）、管路（內(nèi)部管路）使用殼單元，非考核部件（板式換熱器、壓縮機、PTC加熱器及風(fēng)機）使用殼單元+附加質(zhì)量模擬，使其質(zhì)量與質(zhì)心位置與實際相同。模型中殼單元有三節(jié)點和四節(jié)點2種，其單元類型分別為S3和S4R，單元基本尺寸設(shè)為10 mm；冷凝器用六面體單元，單元類型為C3D8R，單元基本尺寸設(shè)為8 mm；螺栓用MPC替代，由于模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析是線性分析技術(shù)，非線性的接觸設(shè)置不起作用，因此，部件間接觸采用Tie模擬。最終有限元模型共有節(jié)點數(shù)為62 858，單元數(shù)為65 696，電池?zé)峁芾頇C組有限元模型及局部細節(jié)，如圖2及圖3所示。

圖2 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組有限元模型圖

圖3 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組局部有限元模型圖

2 電池?zé)峁芾頇C組的模態(tài)分析

2.1 模態(tài)理論

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。模態(tài)分析也是響應(yīng)譜分析和模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析必需的前期分析過程。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用，是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法[2-3]。

利用有限元方法求解結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性時，結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，如式（1）所示。

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——剛度矩陣；

{F}——激勵力矢量；

{U}——位移矢量；

在模態(tài)求解時，假定結(jié)構(gòu)自由振動，則取{F}={0}。理論分析和實踐均表明，阻尼對結(jié)構(gòu)固有頻率和振型影響不大，可忽略不計，因此，式（1）成為無阻尼自由振動方程，如式（2）所示。

線性系統(tǒng)自由振動為簡諧形式，如式（3）所示。

則微分方程轉(zhuǎn)化為：

得到特征方程，如式（5）所示。

式中：ω——系統(tǒng)的固有頻率，rad/s；

φ——相應(yīng)的振型。

本次分析采用ABAQUS求解器及分塊Lanczos方法進行求解。

2.2 材料設(shè)定

如圖1所示，在電池?zé)峁芾頇C組中，安裝腳、鈑金框架、內(nèi)部管路、板式換熱器、壓縮機及PTC加熱器的材料為碳鋼Q235，冷凝器的材料為鋁合金3003，風(fēng)機的材料為ABS塑料，計算中用到的材料屬性，如表1所示。

表1 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組材料屬性表

2.3 約束邊界條件

圖4示出某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組安裝腳約束邊界條件。電池?zé)峁芾頇C組兩側(cè)有安裝腳與框架相連，每側(cè)安裝腳各有2個螺栓孔（如圖4中紅色虛線框所示），約束螺栓孔處節(jié)點的1～6自由度。

圖4 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組安裝腳約束示意圖

2.4 模態(tài)分析

GB/T 21361—2008《汽車用空調(diào)器》振動試驗方法中規(guī)定，振動試驗頻率為33 Hz或67 Hz。提取的模態(tài)頻率范圍應(yīng)將其包含在內(nèi)，設(shè)定提取模態(tài)數(shù)為0～20階，提交ABAQUS求解器進行求解，得到模態(tài)頻率值，如表2所示。若提取模態(tài)不足，可重新設(shè)定更高階數(shù)。圖5示出電池?zé)峁芾頇C組前4階模態(tài)振型云圖。

表2 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組模態(tài)頻率表 Hz

圖5 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組前4階模態(tài)振型云圖

電池?zé)峁芾頇C組通過安裝腳與振動試驗臺相連，從模態(tài)分析結(jié)果來看，第13階模態(tài)頻率和GB/T 21361—2008《汽車用空調(diào)器》振動試驗方法中規(guī)定的試驗頻率（67 Hz）一致，有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

3 電池?zé)峁芾頇C組的諧響應(yīng)分析

3.1 諧響應(yīng)分析理論

諧響應(yīng)是結(jié)構(gòu)在周期載荷作用下產(chǎn)生的周期響應(yīng)。諧響應(yīng)分析能夠預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。諧響應(yīng)分析用于計算結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)，可以觀察到峰值響應(yīng)頻率對應(yīng)的應(yīng)力。諧響應(yīng)分析是線性分析技術(shù)，任何非線性特性將被忽略[4]。諧響應(yīng)分析求解結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，如式（6）所示。

由于阻尼的存在，各節(jié)點相位可以不同，因此，節(jié)點位移的表達式，如式（7）所示。

式中：Umax——位移幅值；

θ——位移相位角；

t——時間，s；

i——虛數(shù)單位；

e——自然常數(shù)。

將動力學(xué)方程改寫為復(fù)數(shù)形式，如式（8）所示。

式中：{U1}，{U2}——位移實部矢量、虛部矢量；

{F1}，{F2}——力實部矢量、虛部矢量。

本次分析采用ABAQUS求解器及模態(tài)疊加法進行求解。

3.2 載荷邊界條件

按照GB/T21361—2008《汽車用空調(diào)器振動》試驗方法的規(guī)定，在33 Hz和67 Hz時電池?zé)峁芾頇C組x，y，z向的加速度載荷均為3 g。

3.3 諧響應(yīng)分析

電池?zé)峁芾頇C組在受到加速度簡諧載荷時，因框架與壓縮機、換熱器等零部件的固定板均是鈑金結(jié)構(gòu)，這些鈑金件受破壞風(fēng)險最大，影響上面安裝部件的安全運行。因此，文章在進行諧響應(yīng)分析時，主要考察電池?zé)峁芾頇C組的鈑金件[5]。

圖6示出電池?zé)峁芾頇C組在激勵頻率為33 Hz時3種工況下的應(yīng)力云圖。從圖6可以看出，橫向（x向）載荷工況下，其最大應(yīng)力為110.5 MPa，出現(xiàn)在背面鈑金與底殼鈑金的中間連接螺栓孔附近；縱向（z向）載荷工況下，其最大應(yīng)力為86.2 MPa，出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向（y向）載荷工況下，其最大應(yīng)力為59.9 MPa，出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近。

圖6 電池?zé)峁芾頇C組在激勵頻率為33 Hz時3種工況應(yīng)力云圖

圖7示出電池?zé)峁芾頇C組在激勵頻率為67 Hz時3種工況下的應(yīng)力云圖。

圖7 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C組在激勵頻率為67 Hz時3種工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

從圖7可以看出，橫向（x向）載荷工況下，其最大應(yīng)力為53.7 MPa，出現(xiàn)在正面鈑金與進出水口相連位置；縱向（y向）載荷工況下，其最大應(yīng)力為111.9 MPa，出現(xiàn)在出口管和高壓加注口相連位置；垂向（z向）載荷工況下，其最大應(yīng)力為75.5 MPa，出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近。從圖6和圖7可以看出，2種激勵頻率、3個載荷方向工況下，電池?zé)峁芾頇C組的最大應(yīng)力均未超過其材料的屈服強度（235 MPa）。

4 結(jié)論

文章以某電池?zé)峁芾頇C組為研究對象，運用SolidWorks建立了機組幾何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用ABAQUS求解器進行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析表明，各工況下機組最大應(yīng)力均未超過材料的屈服強度，整體滿足設(shè)計要求。

文章對電池?zé)峁芾頇C組進行模態(tài)分析后，發(fā)現(xiàn)機組存在與試驗頻率（67 Hz）相同的模態(tài)頻率，后期還需進行優(yōu)化設(shè)計，避開共振區(qū)域。