不同通風(fēng)口大小的電池箱有限元振動研究

摘要：根據(jù)通風(fēng)口口徑的不同對4種電動汽車電池箱進(jìn)行有限元建模分析，研究不同通風(fēng)口口徑的電池箱的振動模態(tài)以及對應(yīng)的振動頻率、在隨機(jī)振動情況下電池箱內(nèi)出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力值及其發(fā)生位置。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著通風(fēng)口口徑增大，汽車電池箱的前兩階振型將發(fā)生變化，第三階振型對應(yīng)的振動頻率下降，且隨機(jī)振動產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力也相應(yīng)增加。研究結(jié)論對汽車電池箱的通風(fēng)口形狀與位置設(shè)計，以及優(yōu)化振動特性有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：電池箱；通風(fēng)口；模態(tài)；振動

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-09-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.023

1 前言

近年來，不同于傳統(tǒng)燃油車銷量的逐步下滑，我國新能源汽車的銷量持續(xù)大幅增長，逐漸成為我國汽車市場的主流[1]。電池組作為新能源汽車的主要動力來源，是新能源汽車的組成部件中最關(guān)鍵的一環(huán)，目前新能源汽車電池組主要采用壽命長且能量密度較高的鋰離子電池。與此同時，由于新能源汽車電池組在使用過程中存在受沖擊易起火的特點，需要采用電池箱對電池組進(jìn)行一定的保護(hù)，因此電池箱作為保護(hù)性結(jié)構(gòu)，其自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及振動特性便成為其研發(fā)的重點。

國內(nèi)研究者對新能源汽車的振動特性進(jìn)行過研究。劉超等[2]對某電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)振動分析，得到其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，從而對其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，針對電池箱下方邊角處采用加強(qiáng)筋進(jìn)行加固，從而大幅度降低了薄弱位置處受到的應(yīng)力，并且明顯減小了Y軸和Z軸方向上的隨機(jī)振動最大應(yīng)力，大大提高了電池箱結(jié)構(gòu)對抗疲勞破壞的能力。解占新[3]利用ANSYS軟件對豎式和橫式兩種散熱孔形式的電池箱進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析，在研究了兩者前五階模態(tài)后發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)的振型較為相近，同時由于設(shè)置橫式散熱孔的電池箱固有頻率區(qū)間距離汽車行駛過程中產(chǎn)生的振動頻率區(qū)間更遠(yuǎn)，能夠更好地避免共振情況的發(fā)生。汪金輝等[4]針對新能源汽車在顛簸路面急剎車和急轉(zhuǎn)彎的兩個工況組合下電池箱的靜強(qiáng)度、靜剛度以及前兩階模態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了電池箱結(jié)構(gòu)上的不足以及潛在的安全問題，并采用Design-Expert進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化和迭代，使得迭代優(yōu)化后的電池箱在模型重量大幅減少的情況下，一階模態(tài)對應(yīng)的頻率得到大幅的提升。田天池等[5]針對車載動力電池箱的壁板采用了Workbench軟件進(jìn)行了模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析與抗疲勞分析，發(fā)現(xiàn)隨著振動模態(tài)階次的增加，電池箱結(jié)構(gòu)的薄弱點的位置也在發(fā)生著變化，并驗證了薄弱處的強(qiáng)度遵循第三強(qiáng)度理論。魯春艷等[6]分析了某型號電池箱在垂向顛簸、顛簸路面急轉(zhuǎn)彎以及顛簸路面急剎車三種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況以及前六階模態(tài)振型情況，并以此為依據(jù)對該型號電池箱的上蓋、框架厚度、框架擋板折彎處進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，大幅度地提高了電池箱體的強(qiáng)度和剛度以及低階模態(tài)對應(yīng)的頻率。

但在現(xiàn)階段對新能源汽車電池箱振動領(lǐng)域的研究中，極少有學(xué)者研究通風(fēng)口大小對電池箱的振動特性的影響。由于在電池箱結(jié)構(gòu)上打孔會極大影響結(jié)構(gòu)在受擾動情況下的振動頻率和模態(tài)形態(tài)，因此通風(fēng)口的大小不能過大。同時，基于輕量化的考慮以及由于電池組在運行過程中需要通風(fēng)口對外界進(jìn)行氣體交換以進(jìn)行散熱，因此通風(fēng)口的大小不能過小。本研究將基于Ansys Workbench平臺研究通風(fēng)口大小對新能源車電池箱振動特性的影響。

2 電池箱的設(shè)計與建模

2.1 電池箱模型設(shè)計

選取某型號電動汽車電池箱為研究對象，該型號電池箱的材料為結(jié)構(gòu)鋼，其主體部分為長方體狀電池箱結(jié)構(gòu)，該箱體結(jié)構(gòu)長度為1 050 mm，寬度為500 mm，高度為300 mm，壁厚為5.0 mm，且箱體寬邊的上緣部分進(jìn)行了相應(yīng)加厚以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。電池箱的兩個長邊上緣部分各焊接有3個吊環(huán)結(jié)構(gòu)，吊環(huán)結(jié)構(gòu)通過螺釘與電動汽車車身連接，從而將電池箱體安裝在電動汽車上。其中電池箱體的寬邊沿電動汽車車長方向，長邊沿電動汽車車寬方向布置。電池箱上方設(shè)置有蓋體結(jié)構(gòu)，但由于蓋體結(jié)構(gòu)不參與電池箱的受力，因此在后續(xù)振動分析中忽略蓋體結(jié)構(gòu)對電池箱體產(chǎn)生的影響。

電池箱的寬邊側(cè)壁各均勻開設(shè)有4個圓形通風(fēng)口，長邊側(cè)壁各均勻開設(shè)有8個圓形通風(fēng)口。根據(jù)通風(fēng)口口徑大小，本文設(shè)置有通風(fēng)口半徑為30 mm的小口徑箱體、通風(fēng)口半徑為40 mm的中口徑箱體以及通風(fēng)口半徑為50 mm的大口徑箱體，并設(shè)置了一組無通風(fēng)口的箱體進(jìn)行比較以研究通風(fēng)口對于電池箱振動特性的影響。其中無通風(fēng)口箱體的總重為59.2 kg，小口箱體的總重為57.2 kg，中口箱體的總重為55.2 kg，大口箱體的總重為52.5 kg。

2.2 電池箱有限元模型設(shè)計

在Solidworks軟件中建立4組電池箱的實體模型，并將其導(dǎo)入Ansys Workbench平臺中的Modal模塊建立有限元模型并進(jìn)行處理。電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。網(wǎng)格類型設(shè)置為四面體網(wǎng)格并對電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，劃分后的有限元模型如圖1所示。其中無通風(fēng)口箱體具有68 696個單元與138 753個節(jié)點，小口電池箱共有68 988個單元和141 160個節(jié)點，中口電池箱共有66 543個單元和135 280個節(jié)點，大口電池箱共有63 735個單元和130 852個節(jié)點。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 電池箱模型模態(tài)分析

由于電動汽車在行駛的過程中由于路面不平整等因素將不可避免地產(chǎn)生振動激勵，其中占主體部分的是由路面不平整產(chǎn)生的振動激勵，其頻率一般小于21 Hz[3]，因此需要保證電池箱的各階振動頻率在21 Hz以上才能避免其受到外界激勵的影響發(fā)生共振，損壞電池箱與內(nèi)部的電池。在Ansys workbench中對電池箱體的吊環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)孔進(jìn)行固定約束后，對箱體進(jìn)行自由模態(tài)分析。

如圖2～圖7所示，對比無通風(fēng)口電池箱和大口電池箱的前三階振型可知，無通風(fēng)口電池箱的一階振型最大振動幅度發(fā)生的位置在箱體上緣的4個角處，而大口電池箱的一階振型最大振動幅度發(fā)生的位置在箱體底板中心處。無通風(fēng)口電池箱的二階振型最大振動幅度發(fā)生的位置在箱體底板中心處，而大口電池箱的二階振型最大振動幅度發(fā)生的位置在箱體上緣的4個角處。無通風(fēng)口電池箱和大口電池箱的三階振型的最大振動幅度發(fā)生的位置都在箱體底板兩側(cè)。由此可知，通風(fēng)口將影響電池箱的前兩階振型，這可能是由于無通風(fēng)口電池箱的二階振型最大振動位置在箱體底板中部，其振動的剛度主要由底板和側(cè)壁提供，在側(cè)壁上開設(shè)的通風(fēng)口將削弱側(cè)壁的剛度，從而快速降低該振型的振動頻率，當(dāng)其振動頻率小于最大振動幅度發(fā)生的位置在箱體上緣的4個角處的振型時，其在大口電池箱的模態(tài)中即成為了一階模態(tài)。

無通風(fēng)口電池箱的前三階振動頻率為91.12 Hz、97 Hz和131.42 Hz，小口電池箱的前三階振動頻率為91.78 Hz、94.12 Hz和128.92 Hz，中口電池箱的前三階振動頻率為91.81 Hz、92.22 Hz和126.98 Hz，大口電池箱的前三階振動頻率為88.77 Hz、92.6 Hz和124.33 Hz。4組電池箱的各階模態(tài)對應(yīng)的振動頻率均高于21 Hz，因此在該電池箱上設(shè)置通風(fēng)口后，電池箱的自振頻率依然處于安全區(qū)間。同時，通風(fēng)口對電池箱結(jié)構(gòu)的第三階振型的頻率影響較為明顯，由于三階振型最大振動位置在箱體底板處兩側(cè)，其振動的剛度主要由底板和側(cè)壁提供，隨著電池箱通風(fēng)口口徑的增大，箱體結(jié)構(gòu)的4個側(cè)壁的剛度隨之下降，從而降低了第三階振型的振動頻率。

3.2 電池箱隨機(jī)振動分析

電動汽車行駛時，由于道路不平整或是其他外部因素激勵，電池箱結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生非規(guī)則的振動應(yīng)力。振動應(yīng)力有可能對電池箱的結(jié)構(gòu)造成累積性的疲勞損傷，進(jìn)而威脅到電池組的安全運行以及整車性能的穩(wěn)定。因此使用隨機(jī)振動分析技術(shù)能預(yù)測電池箱在復(fù)雜振動條件下的等效應(yīng)力進(jìn)而進(jìn)行評估電池箱的疲勞壽命，從而提高電池箱可靠性。基于模態(tài)分析結(jié)果，在Ansys Workbench平臺的Random Vibration模塊中使用豎直方向的加速度功率譜密度對各型號電池箱作隨機(jī)振動仿真，各頻率對應(yīng)的功率譜密度如表1所示。

豎直方向的隨機(jī)振動分析結(jié)果如圖8～圖11所示，從等效應(yīng)力云圖可以看出，無通風(fēng)口電池箱受到的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在長邊底部中間，其1σ、2σ和3σ對應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為13.32 MPa、26.63 MPa和39.94 MPa。小口電池箱受到的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在長邊下方圓口下側(cè)，其1σ、2σ和3σ對應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為17.52 MPa、35.05 MPa、52.58 MPa。中口電池箱受到的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在長邊下方圓口下側(cè)，其1σ、2σ和3σ對應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為19.63 MPa、39.27 MPa、58.9 MPa。大口電池箱受到的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在長邊下方圓口下側(cè)，其1σ、2σ和3σ對應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為22.19 MPa、44.39 MPa、66.58 MPa。電池箱受到的最大等效應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)鋼材料的屈服應(yīng)力235 MPa，因此在該電池箱上設(shè)置通風(fēng)口后，電池箱強(qiáng)度依然能夠承受相應(yīng)范圍的隨機(jī)振動產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力。

同時，由于圓口將產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中效應(yīng)，在電池箱上打通風(fēng)口將使得最大等效應(yīng)力發(fā)生位置從長邊底部中間轉(zhuǎn)移到長邊下方圓口下側(cè)，且隨著圓口直徑的增加，最大等效應(yīng)力的數(shù)值也相應(yīng)大幅增加，其中大口電池箱3σ對應(yīng)的最大等效應(yīng)力是無通風(fēng)口電池箱的1.67倍，因此在設(shè)計通風(fēng)口時需要對長邊下方的圓口周邊進(jìn)行一定的加固，從而避免該區(qū)域的材料因隨機(jī)振動的影響而發(fā)生屈服或是疲勞損傷，從而降低電池箱整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié)語

通過Ansys Workbench軟件對某型號電動車電池箱對應(yīng)的4組不同通風(fēng)口口徑的模態(tài)分析與隨機(jī)振動分析可知，隨著通風(fēng)口口徑的增加，電池箱的前兩階模態(tài)的振型將因此發(fā)生改變，并明顯降低第三階振型對應(yīng)的振動頻率。同時，在受到隨機(jī)振動的情況下，在電池箱上開設(shè)的通風(fēng)口將因為應(yīng)力集中效應(yīng)從而使得最大等效應(yīng)力發(fā)生位置從長邊底部中間轉(zhuǎn)移到長邊下方圓口下側(cè)，且隨著圓口直徑的增加，最大等效應(yīng)力的數(shù)值也相應(yīng)大幅增加。因此在后續(xù)設(shè)計通風(fēng)口時應(yīng)當(dāng)對長邊下方的圓口周邊進(jìn)行一定的加固，以避免隨機(jī)振動對箱體結(jié)構(gòu)造成的損壞。

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作者簡介：

江錦鑫，男，1994年生，助教，研究方向為新能源汽車。