散熱孔不同排列方式的電池箱有限元模態(tài)分析*

解占新

(晉中學(xué)院 機(jī)械系,山西 晉中 030619)

0 引言

為保證電動(dòng)汽車電池的安全性及散熱效果，通過(guò)UG軟件設(shè)計(jì)出兩種不同排列方式散熱孔的電池箱。為對(duì)比兩種排列方式散熱孔電池箱的差異，通過(guò)ANSYS對(duì)電池箱進(jìn)行強(qiáng)度及剛度分析，在結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求基礎(chǔ)上，對(duì)不同排列方式散熱孔結(jié)構(gòu)箱體進(jìn)行模態(tài)分析，以避免電池箱在汽車運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生共振。

1 電池箱強(qiáng)度及剛度分析

1.1 電池箱建模

電池箱結(jié)構(gòu)主要包括電池箱上蓋板和箱體兩部分，通過(guò)螺栓將其固定在車廂底部。由于上蓋板不受力，因此主要對(duì)箱體進(jìn)行分析，散熱孔布置分為橫孔和豎孔兩種形式。電池箱箱體模型如圖1所示。

圖1 電池箱箱體模型

將模型導(dǎo)入ANSYS，選擇有限元分析單元類型為SOLID185[1]。電池箱材料參數(shù)如表1所示。

表1 電池箱材料參數(shù)

橫孔箱體模型經(jīng)網(wǎng)格劃分得到了52 423個(gè)節(jié)點(diǎn)、154 386個(gè)單元，豎孔箱體模型經(jīng)網(wǎng)格劃分得到了52 286個(gè)節(jié)點(diǎn)、153 646個(gè)單元。電池箱箱體有限元模型如圖2所示。

圖2 電池箱箱體有限元模型

1.2 電池箱強(qiáng)度及剛度有限元分析

(1)約束設(shè)置：箱體通過(guò)螺栓固定在車廂底部，對(duì)螺栓孔內(nèi)部進(jìn)行固定約束。

(2)載荷設(shè)置：設(shè)置重力加速度g=-9.8 N/m2，方向沿Z軸豎直向下；電池重量m=90 kg，對(duì)電池箱底部產(chǎn)生Z軸豎直向下的均布載荷F=-882 N。

分析得到的電池箱應(yīng)力及位移云圖如圖3所示。

由圖3(a)和圖3(c)可知：橫孔箱體最大應(yīng)力出現(xiàn)在箱體底部，其值為3.22 MPa;豎孔箱體最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在箱體底部，其值為3.42 MPa。兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于Q235屈服應(yīng)力235 MPa[2-4]，強(qiáng)度足夠。

由圖3(b)和圖3(d)可知：橫孔箱體最大位移出現(xiàn)在箱體底部中心位置，最大值為0.192×10-4m；豎孔箱體最大位移同樣出現(xiàn)在箱體底部中心位置，最大值為0.189×10-4m。根據(jù)以上分析，橫孔箱體與豎孔箱體變形量非常小，剛度均可以滿足要求。

圖3 不同散熱孔形式電池箱應(yīng)力及位移云圖

2 電池箱模態(tài)分析

為避免電池箱在電動(dòng)車行駛過(guò)程中發(fā)生共振，對(duì)電池箱體進(jìn)行自由模態(tài)分析[5,6]。模態(tài)提取方法為Block Lanczos，得到的橫孔箱體前5階固有頻率如表2所示，縱孔箱體前5階固有頻率如表3所示，橫孔箱體的前5階振型如圖4所示，縱孔箱體的前5階振型如圖5所示。

表3 豎孔箱體前5階固有頻率

根據(jù)表1及表2可以看出，豎孔電池箱固有頻率整體<橫孔電池箱固有頻率。從圖4與圖5可以看出，橫孔電池箱與豎孔電池箱振型趨勢(shì)較為一致。第1階振型：箱體側(cè)壁在Y軸方向發(fā)生振動(dòng)；第2階振型：箱體側(cè)壁在X軸、Y軸發(fā)生振動(dòng)；第3階振型：箱體側(cè)壁在Z方向發(fā)生振動(dòng)；第4階振型：箱體側(cè)壁在X軸、Y軸發(fā)生擺動(dòng)；第5階振型：箱體整體發(fā)生擺動(dòng)。

圖5 豎孔電池箱前5階振型

表2 橫孔箱體前5階固有頻率

圖4 橫孔電池箱前5階振型

汽車在行駛過(guò)程中，由于路面不平整所引發(fā)的激振頻率一般在21 Hz以下[7]，所以為避免共振，電池箱體第1階固有頻率必須大于21 Hz。根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)橫孔電池箱及豎孔電池箱均滿足設(shè)計(jì)要求，但由于橫孔電池箱整體固有頻率大于豎孔電池箱固有頻率，可以更好避免振動(dòng)的發(fā)生，因此應(yīng)該優(yōu)選橫孔電池箱體。

3 結(jié)論

綜合以上有限元分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

(1)橫孔電池箱和豎孔電池箱的強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)整體來(lái)看，豎孔電池箱固有頻率<橫孔電池箱固有頻率，但兩種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)各階固有頻率對(duì)應(yīng)振型振動(dòng)趨勢(shì)基本一致。

(3)橫孔電池箱及豎孔電池箱第1階固有頻率均大于路面不平整所引發(fā)的振動(dòng)頻率，滿足設(shè)計(jì)要求，但由于橫孔電池箱固有頻率整體大于豎孔電池箱，可以更好避免共振的發(fā)生，因此優(yōu)先選擇橫孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的電池箱體。