基于ANSYS Workbench電池箱模態(tài)分析和對(duì)比

吳建軍 王奕 曹旭東 劉明珠 王飛飛

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722120

摘要：模態(tài)分析是所有動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，是后期對(duì)該電池箱進(jìn)行振動(dòng)分析的保證。本文基于ANSYS Workbench軟件，利用三種不同的思路對(duì)電池箱進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算。通過結(jié)果分析，得出電池箱是否施加重力對(duì)其固有頻率的影響很小，但其是否施加質(zhì)量點(diǎn)影響卻非常大。驗(yàn)證了ANSYS Workbench軟件在計(jì)算模態(tài)時(shí)是默認(rèn)添加重力的，同時(shí)也進(jìn)一步的驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)是有影響的。

關(guān)鍵詞：電池箱；ANSYS Workbench；模態(tài)分析；預(yù)應(yīng)力

模態(tài)分析是所有動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和對(duì)應(yīng)頻率的振型。對(duì)電池箱進(jìn)行模態(tài)分析是對(duì)后續(xù)進(jìn)行的振動(dòng)分析的前提工作和作為其他動(dòng)力學(xué)分析的參考。本文對(duì)本公司某型號(hào)專用車的電池箱進(jìn)行模態(tài)分析，針對(duì)計(jì)算結(jié)果判斷是否符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)對(duì)是否施加預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行了對(duì)比。

1 模態(tài)分析的基本概念

模態(tài)分析是為了獲取結(jié)構(gòu)比較敏感的頻率區(qū)間，據(jù)此來預(yù)知電池箱結(jié)構(gòu)在此頻率區(qū)間范圍內(nèi)，與系統(tǒng)其他的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生共振，進(jìn)而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理。電動(dòng)汽車在行駛過程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，電池包也會(huì)隨著振動(dòng)，因此要避免電池包與車身產(chǎn)生共振，就要計(jì)算分析電池包的模態(tài)，分析各個(gè)振源下的振動(dòng)響應(yīng)特性。ANSYS Workbench可進(jìn)行一般結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、有應(yīng)力模態(tài)分析、大變形有應(yīng)力模態(tài)分析、循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、有應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、無阻尼和有阻尼結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。本文主要對(duì)電池箱進(jìn)行一般結(jié)構(gòu)和有應(yīng)力的模態(tài)分析[1]。

模態(tài)分析實(shí)際上就是解自振動(dòng)結(jié)構(gòu)的平衡方程，求特征值。具體的方程式如下：

式中，K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣；λ是特征值矩陣。一般結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是不考慮阻尼效應(yīng)。求解特征值問題可以得到n個(gè)特征值λi（n是自由度），向量X是與特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，這些特征值向量構(gòu)成一個(gè)線性空間的一組正交基，一個(gè)有限元模型的任意變形都可以由這組基的線性疊加來表達(dá)[2]。

1.1 有限元模型的建立

利用同事的solidworks三維模型，導(dǎo)入到SCDM中進(jìn)行前處理，刪除不必要的倒角和小孔，并對(duì)所有的模型進(jìn)行抽中面處理，因不考慮電池模組的變形情況，所以采用兩個(gè)質(zhì)量點(diǎn)對(duì)其替代，每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)量為100kg。有限元模型如圖1。

1.2 添加材料并劃分網(wǎng)格

電池箱的材料選擇Q235B，根據(jù)材料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)得到表1的材料屬性。

插入size控制，在Element Size中填寫6mm，在detail of mesh的總體設(shè)置中，relevance center選擇Medium，span angle center選擇Medium，網(wǎng)格劃分方法選擇Quadrilateral Dominant，其余默認(rèn)。最終得到單元數(shù)73945個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為76540，網(wǎng)格質(zhì)量為0.9563，縱橫比為1.066。劃分網(wǎng)格后的模型如圖2。

1.3 設(shè)置接觸

在模態(tài)分析中，不考慮任何的非線性行為，如用戶自己定義了非線性行為，如接觸非線性等，程序也會(huì)將其以初始剛度狀態(tài)當(dāng)作非線性行為進(jìn)行計(jì)算。因此，所有的接觸類型選擇Bounded，formulation選擇MPC，其余的設(shè)置選擇默認(rèn)。設(shè)置接觸后的有限元模型如圖3。

1.4 邊界條件和施加載荷

1.4.1 加質(zhì)量點(diǎn)和重力

該載荷條件是根據(jù)電池箱的實(shí)際情況施加的，電池箱的兩個(gè)框內(nèi)各有100kg的電池模組，在4個(gè)吊耳處加固定約束，添加重力加速度，如圖4所示。

1.4.2 加質(zhì)量點(diǎn)不加重力和不加質(zhì)量點(diǎn)

加質(zhì)量點(diǎn)不加重力和不加質(zhì)量點(diǎn)兩種對(duì)比方式都是只在吊耳處加固定約束，區(qū)別只是在箱體內(nèi)有無質(zhì)量點(diǎn)，如圖5和圖6所示。

1.5 結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算得到在三種不同加載情況下的前六階的頻率和對(duì)應(yīng)的振型：

1.5.1 加質(zhì)量點(diǎn)和重力

該邊界條件下的計(jì)算得到的箱體頻率如表2和頻率對(duì)應(yīng)的振型如圖7。

1.5.2 只加質(zhì)量點(diǎn)

該邊界條件下的計(jì)算得到的箱體頻率如表3和頻率對(duì)應(yīng)的振型如圖8。

1.5.3 不加質(zhì)量點(diǎn)

該邊界條件下的計(jì)算得到的箱體頻率如表4和頻率對(duì)應(yīng)的振型如圖9。

由分析結(jié)果可得，加質(zhì)量點(diǎn)和重力與只加質(zhì)量點(diǎn)兩種不同的施加條件下，計(jì)算得到的前六階頻率誤差非常小，對(duì)應(yīng)的振型也幾乎一樣。因此可以得出，在ANSYS Workbench中，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，是否施加重力對(duì)最后的計(jì)算結(jié)果影響不大。對(duì)比是否加質(zhì)量點(diǎn)的兩種施加條件，由計(jì)算結(jié)果可得，加質(zhì)量點(diǎn)的第一階模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率為30.16Hz，而不加質(zhì)量點(diǎn)第一階模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率為56.589Hz，在添加質(zhì)量點(diǎn)之后會(huì)使結(jié)構(gòu)的頻率降低，從而發(fā)生共振的幾率會(huì)更大。因此在后期試驗(yàn)中，只需驗(yàn)證箱體裝滿電池模組時(shí)的模態(tài)。

由相關(guān)資料可得，汽車在各種路段行駛，受到的最大激勵(lì)不會(huì)超過27Hz，可見電池箱的頻率與其非常接近，但是觀察第一階和第二階振型，其最大的變形量為0.62mm和0.92mm，其變形量在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為是安全的。因此可認(rèn)為該電池箱結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)合理的。

2 結(jié)論

本文基于ANSYS Workbench軟件，利用三種不同的思路對(duì)電池箱進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算。得出：（1）電池箱是否施加重力對(duì)其固有頻率的影響很小，但是其是否施加質(zhì)量點(diǎn)影響卻非常大。驗(yàn)證了ANSYS Workbench軟件在計(jì)算模態(tài)時(shí)是默認(rèn)添加重力的，同時(shí)也進(jìn)一步的驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)是有影響的。（2）雖然該電池箱在施加質(zhì)量點(diǎn)之后的第一階固有頻率為30.16Hz，非常接近汽車受到的最大激勵(lì)的頻率，但是其對(duì)應(yīng)的振型中最大的變形量只有0.62mm，該變形量在設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是符合設(shè)計(jì)要求的。（3）模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，是后期對(duì)該電池箱進(jìn)行振動(dòng)分析的保證。但是在實(shí)際生產(chǎn)加工和裝配過程中，存在著很多人為因素等其他原因，因此需要通過進(jìn)一步的試驗(yàn)來驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王新敏.ANSYS結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2014.4.

[2]王芳，夏軍，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2016.9.

[3]劉笑天，蔣超奇，江丙云，等.ANSYS Workbench有限元分析工程實(shí)例詳解[M].北京：中國鐵道出版社，2017.10.

[4] GBT 31467.3—2015 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法.

[5]周矩，蘇金英.ANSYS Workbench有限元分析實(shí)例詳解（靜力學(xué)） [M].北京：人民郵電出版社，2017.3.

[HTH]作者介紹：[HT][HTK]吳建軍（1991），男，漢族，江蘇鹽城人，碩士，當(dāng)前職務(wù)：CAE工程師。[HT]