保溫電池艙的有限元分析

□ 吳俊飛 □徐 珂 □王 豪

青島科技大學 機電工程學院 山東青島 266061

1 分析背景

潛標技術于20世紀50年代初首先在美國發展起來[1]。海洋潛標作為一種海洋無人值守的觀測系統,具有在海洋水下環境長期、連續、定點獲取不同深度剖面海流、溫度、鹽度、內波等水文資料的能力,兼備隱蔽、穩定與機動性好等優點,深受海洋科技工作者的青睞[2]。由于水下光學傳感器傳輸數據量大,工作時間長,因此往往需要外接一個電池艙。電池艙在深海中不僅要滿足強度要求與穩定性要求,而且要滿足保溫效果要求,確保電池在最為合適的環境中工作。

海水的水溫一般維持在-2～30 ℃,其中，年平均水溫超過20 ℃的區域占整個海洋面積的一半以上[3]。直接觀測表明,世界各大洋海水溫度一般隨海水深度的增加而降低。在低緯度海區,深度在350 m以內海水溫度降低的速率最大,350 m深度海水特征溫度為12 ℃。350～2 000 m深度海水溫度降低的速率較大,2 000 m深度海水特征溫度為2 ℃。2 000～4 000 m深度海水溫度降低的速率較緩,4 000 m深度海水特征溫度為1 ℃。4 000 m深度以下海水特征溫度基本保持不變[4]。換言之,500 m深時,水溫基本都在10 ℃以下;1 000 m深時,水溫基本都在5 ℃以下;2 000 m深度以下,水溫基本都在2 ℃以下。

目前能夠使用的海洋觀測電池,在深海低溫條件下放電能力大多只能達到50%,個別能夠達到70%，但因安全性問題不宜采用。海洋觀測電池更換非常不易,為保證電池始終處于合適的工作溫度,采用增加聚氨酯保溫層的方法為電池保溫。為確定保溫層厚度,筆者應用ANSYS Workbench軟件進行熱分析,在艙體材料、環境和邊界條件都相同的情況下，分析不同保溫層厚度時保溫電池艙的溫度分布情況。

2 設計參數

設計壓力為20 MPa。保溫電池艙耐壓殼體壁厚為10 mm,內徑為180 mm,外徑為200 mm。保溫電池艙耐壓殼體筒體長度為850 mm,艙內凈長度為830 mm。保溫材料為聚氨酯。根據設計參數,選擇保溫電池艙耐壓殼體材料為TC4鈦合金。保溫電池艙三維圖如圖1所示。

▲圖1 保溫電池艙三維圖

3 強度分析

應用ANSYS Workbench軟件對保溫電池艙耐壓殼體進行模擬分析,確保保溫電池艙耐壓殼體的安全性。在進行有限元模擬時,建立的模型都是簡化之后的，所求得的應力值一般都是材料的平均應力。在平均應力小于材料屈服應力的條件下，可以說明模型能夠在工況下安全運行。

在保溫電池艙耐壓殼體上設置加強圈,將長圓筒轉換為短圓筒,可以有效減小圓筒厚度，提高圓筒穩定性[5]。對保溫電池艙耐壓殼體進行強度分析，具體步驟如下:

(1) 將模型導入ANSYS Workbench軟件，通過Engineering Data模塊定義材料屬性，在材料庫中添加新材料，命名為TC4鈦合金,然后設置材料的密度為4 500 kg/m3,彈性模量為110 GPa,泊松比為0.34，屈服強度為824 MPa;

(2) 采用四面體網格,對模型進行網格劃分，得到有限元模型;

(3) 施加載荷和約束,在水深為3 000 m海水環境中，按照耐壓測試的相關要求,對模型表面施加1.5倍設計壓力,即30 MPa,同時對法蘭的接觸面施加固定約束;

(4) 進行求解,保溫電池艙耐壓殼體應力與變形云圖分別如圖2、圖3所示。

▲圖2 保溫電池艙耐壓殼體應力云圖

由圖2可知，當保溫電池艙耐壓殼體處于水深為3 000 m的海水環境中,外部壓強為30 MPa時,最大應力產生在耐壓殼體端面與封頭接合處,最大應力值為347.31 MPa,小于TC4鈦合金材料的許用應力(700.4 MPa),因此滿足強度要求。由圖3可知，保溫電池艙耐壓殼體最大變形位置為相鄰兩加強圈的中間部位,最大變形量為0.126 mm,僅為最大外形直徑尺寸的0.6‰,因此耐壓殼體的剛度滿足使用要求。

4 穩定性分析

保溫電池艙耐壓殼體穩定性分析以靜力分析為基礎,在ANSYS Workbench軟件中直接應用靜力分析的結果,添加線性屈曲分析求解屈曲安全因數。一般情況下，當屈曲安全因數大于1.5時,就可以認為對應結構滿足穩定性要求,不會發生失穩現象[6]。在ANSYS Workbench軟件中設置屈曲分析的模態階數為四,在Solution模塊中添加四個總變形計算項,然后求解保溫電池艙耐壓殼體前四階屈曲模態,如圖4所示，前四階屈曲安全因數見表1。

▲圖3 保溫電池艙耐壓殼體變形云圖

表1 保溫電池艙耐壓殼體前四階屈曲安全因數

由分析可知，保溫電池艙耐壓殼體的前四階屈曲安全因數均大于1.5,穩定性滿足要求。

5 溫度分析

在工程領域中,結構的熱分析有非常重要的應用。應用ANSYS Workbench軟件進行熱分析,可以計算結構或部件的溫度分布與其它熱學物理參數,如熱量、熱梯度、熱流密度等。熱分析基于能量守恒原理熱平衡方程,應用有限元法計算各節點的溫度,導出其它熱學物理參數[7]，還可以分析相變、有內熱源、接觸熱阻等問題。熱分析包括熱傳導、熱對流、熱輻射三種熱傳遞方式[8]。

單體電池通過一定的串并聯方式組合安裝在單個電池組模塊內部,若干個電池組模塊串聯成鋰電池組,并產生功率輸出。當鋰電池組工作時,單體電池作為熱源產生熱量,熱量通過空氣、電池架、固定桿、殼體等傳播至海水,即從電池組產生的熱量至海水的熱傳遞過程主要包括以下四個環節[9]：① 保溫電池艙耐壓殼體外壁至耐壓殼體內壁保溫層環形空氣間隙傳熱;② 保溫層內壁至保溫層外壁的導熱;③ 保溫層外壁面,即保溫電池艙耐壓殼體內壁至耐壓殼體外壁的導熱;④ 保溫電池艙耐壓殼體外壁與海水的對流換熱。

▲圖4 保溫電池艙耐壓殼體屈曲模態

應用ANSYS Workbench軟件對電池放電時的熱傳遞過程進行數值模擬,包括建立三維模型、劃分網格、設置邊界條件、數值計算、后處理五個環節。

將模型導入ANSYS Workbench軟件，在ANSYS Workbench軟件中應用Transient Thermal模塊進行分析，通過Engineering Data模塊定義物質的熱力學參數。各種物質的熱力學參數見表2[10]。

表2 物質熱力學參數

對模型進行網格劃分,采用四面體網格。

對內部電池定義發熱功率,大小為2.148 8×10-6W/mm3。對與海水接觸的保溫電池艙耐壓殼體表面施加對流換熱邊界條件,對流換熱系數設為2×10-4W/(mm2·℃),海水環境溫度設為4 ℃。

在研究保溫層厚度對保溫電池艙溫度分布的影響時,選擇不同厚度進行多次運算和分析。對0 mm、2 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm六個保溫層厚度進行模擬計算，結果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知,保溫層厚度為0 mm和2 mm時,保溫電池艙最高溫度約為4.9 ℃,保溫效果幾乎沒有。保溫層厚度為3 mm時,保溫電池艙最高溫度為15 ℃,保溫效果顯著提升。保溫層厚度為5 mm時,保溫電池艙最高溫度為21 ℃。保溫層厚度為7 mm時,保溫電池艙最高溫度為26 ℃。保溫層厚度為9 mm時,保溫電池艙最高溫度為30 ℃。

鋰離子電池工作溫度范圍較寬,一般為-30～60 ℃,但是溫度過低或過高都會影響電池的放電量,因此最好保證電池在25 ℃左右的溫度條件下進行放電。同時綜合考慮深海復雜的環境條件,選用厚度為7 mm的保溫層最為合適。

6 結束語

針對保溫電池艙耐壓殼體,筆者應用ANSYSWorkbench有限元分析軟件進行了強度分析與穩定性分析。分析結果顯示，保溫電池艙耐壓殼體強度與穩定性均滿足水下3 000 m的工作要求。對不同厚度的保溫層進行了溫度分析,確認7 mm厚的保溫層具有最佳的保溫效果,為保溫電池艙保溫層的設計提供了技術參考。

▲圖5 不同保溫層厚度時保溫電池艙溫度分布云圖

▲圖6 不同保溫層厚度時保溫電池艙最高溫度