保溫電池艙的有限元分析

□ 吳俊飛 □徐 珂 □王 豪

青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 分析背景

潛標(biāo)技術(shù)于20世紀(jì)50年代初首先在美國發(fā)展起來[1]。海洋潛標(biāo)作為一種海洋無人值守的觀測(cè)系統(tǒng),具有在海洋水下環(huán)境長(zhǎng)期、連續(xù)、定點(diǎn)獲取不同深度剖面海流、溫度、鹽度、內(nèi)波等水文資料的能力,兼?zhèn)潆[蔽、穩(wěn)定與機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn),深受海洋科技工作者的青睞[2]。由于水下光學(xué)傳感器傳輸數(shù)據(jù)量大,工作時(shí)間長(zhǎng),因此往往需要外接一個(gè)電池艙。電池艙在深海中不僅要滿足強(qiáng)度要求與穩(wěn)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(huán)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(qū)域占整個(gè)海洋面積的一半以上[3]。直接觀測(cè)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(qū),深度在350 m以內(nèi)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(shí),水溫基本都在10 ℃以下;1 000 m深時(shí),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(cè)電池,在深海低溫條件下放電能力大多只能達(dá)到50%,個(gè)別能夠達(dá)到70%，但因安全性問題不宜采用。海洋觀測(cè)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(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行熱分析,在艙體材料、環(huán)境和邊界條件都相同的情況下，分析不同保溫層厚度時(shí)保溫電池艙的溫度分布情況。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力為20 MPa。保溫電池艙耐壓殼體壁厚為10 mm,內(nèi)徑為180 mm,外徑為200 mm。保溫電池艙耐壓殼體筒體長(zhǎng)度為850 mm,艙內(nèi)凈長(zhǎng)度為830 mm。保溫材料為聚氨酯。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),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(qiáng)度分析

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

在保溫電池艙耐壓殼體上設(shè)置加強(qiáng)圈,將長(zhǎng)圓筒轉(zhuǎn)換為短圓筒,可以有效減小圓筒厚度，提高圓筒穩(wěn)定性[5]。對(duì)保溫電池艙耐壓殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，具體步驟如下:

(1) 將模型導(dǎo)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(shè)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(qiáng)度為824 MPa;

(2) 采用四面體網(wǎng)格,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)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(huán)境中，按照耐壓測(cè)試的相關(guān)要求,對(duì)模型表面施加1.5倍設(shè)計(jì)壓力,即30 MPa,同時(shí)對(duì)法蘭的接觸面施加固定約束;

(4) 進(jìn)行求解,保溫電池艙耐壓殼體應(yīng)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(yīng)力云圖

由圖2可知，當(dāng)保溫電池艙耐壓殼體處于水深為3 000 m的海水環(huán)境中,外部壓強(qiáng)為30 MPa時(shí),最大應(yīng)力產(chǎn)生在耐壓殼體端面與封頭接合處,最大應(yīng)力值為347.31 MPa,小于TC4鈦合金材料的許用應(yīng)力(700.4 MPa),因此滿足強(qiáng)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(qiáng)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(wěn)定性分析

保溫電池艙耐壓殼體穩(wěn)定性分析以靜力分析為基礎(chǔ),在ANSYS Workbench軟件中直接應(yīng)用靜力分析的結(jié)果,添加線性屈曲分析求解屈曲安全因數(shù)。一般情況下，當(dāng)屈曲安全因數(shù)大于1.5時(shí),就可以認(rèn)為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性要求,不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[6]。在ANSYS Workbench軟件中設(shè)置屈曲分析的模態(tài)階數(shù)為四,在Solution模塊中添加四個(gè)總變形計(jì)算項(xiàng),然后求解保溫電池艙耐壓殼體前四階屈曲模態(tài),如圖4所示，前四階屈曲安全因數(shù)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(shù)

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

5 溫度分析

在工程領(lǐng)域中,結(jié)構(gòu)的熱分析有非常重要的應(yīng)用。應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行熱分析,可以計(jì)算結(jié)構(gòu)或部件的溫度分布與其它熱學(xué)物理參數(shù),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(yīng)用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度,導(dǎo)出其它熱學(xué)物理參數(shù)[7]，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種熱傳遞方式[8]。

單體電池通過一定的串并聯(lián)方式組合安裝在單個(gè)電池組模塊內(nèi)部,若干個(gè)電池組模塊串聯(lián)成鋰電池組,并產(chǎn)生功率輸出。當(dāng)鋰電池組工作時(shí),單體電池作為熱源產(chǎn)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(chǎn)生的熱量至海水的熱傳遞過程主要包括以下四個(gè)環(huán)節(jié)[9]：① 保溫電池艙耐壓殼體外壁至耐壓殼體內(nèi)壁保溫層環(huán)形空氣間隙傳熱;② 保溫層內(nèi)壁至保溫層外壁的導(dǎo)熱;③ 保溫層外壁面,即保溫電池艙耐壓殼體內(nèi)壁至耐壓殼體外壁的導(dǎo)熱;④ 保溫電池艙耐壓殼體外壁與海水的對(duì)流換熱。

▲圖4 保溫電池艙耐壓殼體屈曲模態(tài)

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)電池放電時(shí)的熱傳遞過程進(jìn)行數(shù)值模擬,包括建立三維模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件、數(shù)值計(jì)算、后處理五個(gè)環(huán)節(jié)。

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，在ANSYS Workbench軟件中應(yīng)用Transient Thermal模塊進(jìn)行分析，通過Engineering Data模塊定義物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)。各種物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)見表2[10]。

表2 物質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用四面體網(wǎng)格。

對(duì)內(nèi)部電池定義發(fā)熱功率,大小為2.148 8×10-6W/mm3。對(duì)與海水接觸的保溫電池艙耐壓殼體表面施加對(duì)流換熱邊界條件,對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為2×10-4W/(mm2·℃),海水環(huán)境溫度設(shè)為4 ℃。

在研究保溫層厚度對(duì)保溫電池艙溫度分布的影響時(shí),選擇不同厚度進(jìn)行多次運(yùn)算和分析。對(duì)0 mm、2 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm六個(gè)保溫層厚度進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)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(shí),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(shí),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(shí),保溫電池艙最高溫度為21 ℃。保溫層厚度為7 mm時(shí),保溫電池艙最高溫度為26 ℃。保溫層厚度為9 mm時(shí),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(huì)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(jìn)行放電。同時(shí)綜合考慮深海復(fù)雜的環(huán)境條件,選用厚度為7 mm的保溫層最為合適。

6 結(jié)束語

針對(duì)保溫電池艙耐壓殼體,筆者應(yīng)用ANSYSWorkbench有限元分析軟件進(jìn)行了強(qiáng)度分析與穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果顯示，保溫電池艙耐壓殼體強(qiáng)度與穩(wěn)定性均滿足水下3 000 m的工作要求。對(duì)不同厚度的保溫層進(jìn)行了溫度分析,確認(rèn)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(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

▲圖5 不同保溫層厚度時(shí)保溫電池艙溫度分布云圖

▲圖6 不同保溫層厚度時(shí)保溫電池艙最高溫度