1. 前言 

近年來(lái)，隨著環(huán)保要求日益提高，世界各國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，新能源汽車(chē)尤其是電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)前景大好，各大主機(jī)廠與造車(chē)新勢(shì)力紛紛投入大量資本與精力。動(dòng)力電池，作為汽車(chē)能量的提供者，也成為汽車(chē)的新的“油箱”。

 

由于續(xù)航里程與電池充放電特性的要求，當(dāng)前動(dòng)力電池往往采用鋰電池模組串并聯(lián)組成。而續(xù)航里程的高要求勢(shì)必導(dǎo)致在當(dāng)前電芯的技術(shù)條件下的動(dòng)力電池包體積越來(lái)越大。

 

所以大體積的動(dòng)力電池包就脫離了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的保護(hù)，往往被固定在汽車(chē)駕駛艙與成員艙的下方。這樣，電池包的結(jié)構(gòu)安全性能就成為生產(chǎn)廠家與車(chē)主關(guān)注的重點(diǎn)之一。電池包造價(jià)高昂，所以在開(kāi)發(fā)階段采用有限元手段部分代替試驗(yàn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證就至關(guān)重要，并且能夠節(jié)約大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間與開(kāi)發(fā)成本。在眾多有限元軟件中，Abaqus 以豐富的單元種類(lèi)、較多的材料模型、大量的接觸與連接類(lèi)型、強(qiáng)大的非線(xiàn)性求解能力和較強(qiáng)的上下游分析軟件兼容性等優(yōu)點(diǎn)被更多 CAE 工程師采用。

 

本文以某型動(dòng)力電池包為例，采用 Abaqus/Explicit 與 Abaqus/Standard 對(duì)沖擊工況進(jìn)行模擬。

 

2. 鋰電池包機(jī)械沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

機(jī)械沖擊是指機(jī)械系統(tǒng)或其中的一部分受到突然、急劇、非周期性的激勵(lì)時(shí)，發(fā)生的時(shí)間甚至快于系統(tǒng)固有振動(dòng)周期的狀態(tài)的驟然變化。動(dòng)力電池包進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn)主要目的是為了校核車(chē)輛在突然加減速，或車(chē)輪掠過(guò)凹坑或石塊的工況時(shí)動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也能反映動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)剛度與應(yīng)力集中位置。

 

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車(chē)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》對(duì)機(jī)械沖擊的要求如下：

1) 測(cè)試對(duì)象為鋰離子電池包或系統(tǒng)。

2) 對(duì)測(cè)試對(duì)象施加 25g、15ms 的半正弦沖擊波形，z 軸方向沖擊 3 次。

3) 相鄰兩次沖擊的間隔時(shí)間以?xún)纱螞_擊在試驗(yàn)樣品上造成的響應(yīng)不發(fā)生相互影響為準(zhǔn)，一般應(yīng)不小于 5 倍沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間。

4) 試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀察 2h。

 

3. 有限元模型建立與邊界條件確定

3.1 有限元模型

動(dòng)力電池包沖擊工況計(jì)算的有限元模型主要包括動(dòng)力電池包下箱體、上箱體、電池模組等，如圖 1。模型主要采用殼單元與實(shí)體單元建立，下箱體的關(guān)鍵位置需要細(xì)化，選取尺寸較小、形狀規(guī)則的單元，同時(shí)要求嚴(yán)格控制三角形單元數(shù)量與位置，以保證求解精度。有限元模型的單元類(lèi)型選取與規(guī)模見(jiàn)表 1 所示。

 

表 1. 各零部件單元類(lèi)型與節(jié)點(diǎn)數(shù)量

 

 

同時(shí)需要注意的是，由于機(jī)械沖擊采用 Abaqus/Explicit 求解器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，所以

根據(jù)求解器特點(diǎn)，進(jìn)行如下模型設(shè)置。

1) 接觸區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化，均采用 TIE 連接；

2) 螺栓采用剛性單元簡(jiǎn)化；

3) 不關(guān)注的零部件在用質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行代替。

 

 

圖 1. 有限元模型剖切視圖

 

3.2 材料非線(xiàn)性

等效塑性應(yīng)變是用來(lái)確定材料經(jīng)強(qiáng)化后屈服面的位置的物理量，是評(píng)價(jià)動(dòng)力電池包沖擊工況的重要依據(jù)。所以在進(jìn)行機(jī)械沖擊分析時(shí)，必須采用材料非線(xiàn)性，也就是必須定義具有非線(xiàn)性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的材料屬性。Abaqus 軟件支持用戶(hù)使用*PLASTIC 選項(xiàng)定義金屬材料的塑性性能。如圖 2 所示。

 

 

圖 2. 某金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

 

3.3 邊界條件建立

本次有限元分析在動(dòng)力電池包的安裝點(diǎn)位置施加加速度波形，同時(shí)約束其他方向自由度。

 

4. 單次沖擊分析與計(jì)算結(jié)果

按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，施加 Z 向沖擊載荷，得到的單次計(jì)算結(jié)果如圖 3~圖 4 所示。

 

 

圖 3. 單次沖擊下箱體 Mises 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

 

 

圖 4. 單次沖擊下箱體等效塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

 

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，動(dòng)力電池下箱體在單次沖擊載荷下局部位置達(dá)到材料的塑性區(qū)域，發(fā)生塑性變形。最大的等效塑性應(yīng)變位置主要發(fā)生在焊點(diǎn)周?chē)?/span>

 

5. 多次沖擊分析與計(jì)算結(jié)果

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定機(jī)械沖擊試驗(yàn)單方向要進(jìn)行 3 次，所以為保證有限元模擬與實(shí)際試驗(yàn)一致，也要進(jìn)行 3 次沖擊模擬。但是針對(duì)單次沖擊結(jié)果進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在沖擊結(jié)束時(shí)刻結(jié)構(gòu)加速度并未歸零，意味著結(jié)構(gòu)并未達(dá)到靜力平衡狀態(tài)，如圖 5 所示。

 

 

圖 5. 單次沖擊結(jié)束時(shí)刻下箱體加速度云圖

 

由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在，結(jié)構(gòu)振動(dòng)必將衰減，最終達(dá)到靜平衡狀態(tài)。所以將單次沖擊加速度波形改為如圖 6 所示，即在 15ms 振動(dòng)沖擊結(jié)束后增加 30ms 的平衡時(shí)間。有限元計(jì)算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的加速度波形如圖 7 所示。

 

 

圖 6. 更改后的單次沖擊載荷時(shí)間歷程曲線(xiàn)

 

 

圖 7. 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加速度與時(shí)間曲線(xiàn)

 

通過(guò)更改后的單次沖擊分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的波動(dòng)將持續(xù)較長(zhǎng)的一段時(shí)間，超過(guò)單次沖擊時(shí)間的 2 倍后結(jié)構(gòu)依舊沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)。由此可見(jiàn)想要依靠結(jié)構(gòu)阻尼達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以避免兩次沖擊結(jié)果互相干擾，將會(huì)花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間與計(jì)算資源，甚至有可能不能實(shí)現(xiàn)。

 

Abaqus 可以通過(guò) import 功能來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)到靜力學(xué)、靜力學(xué)到動(dòng)力學(xué)的重啟動(dòng)分析，由于靜力學(xué)分析中不存在動(dòng)能與加速度，所以能夠較快的消除結(jié)構(gòu)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在每次動(dòng)力學(xué)后面進(jìn)行一次靜力學(xué)分析，采用這樣的分析流程既保證了上一次沖擊結(jié)束時(shí)的不平衡狀態(tài)對(duì)下一次沖擊的影響，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了多次沖擊結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)變的累加。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變結(jié)果如圖 8 所示。

 

 

圖 8. 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)三次沖擊的等效塑性應(yīng)變累計(jì)曲線(xiàn)

 

6. 結(jié)論

利用 Abaqus/Explicit 與 Abaqus/Standard 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)與靜力學(xué)間的轉(zhuǎn)換分析等夠精確模擬動(dòng)力電池沖擊工況分析。從計(jì)算結(jié)果得知：

1) 單次動(dòng)力沖擊分析結(jié)束后結(jié)構(gòu)不能達(dá)到靜力平衡狀態(tài)，會(huì)對(duì)下一次沖擊計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生

影響，并且依靠結(jié)構(gòu)阻尼無(wú)法短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)精力平衡。

2) 對(duì)比單次動(dòng)力沖擊分析，三次沖擊分析更接近國(guó)標(biāo)的試驗(yàn)工況，動(dòng)-靜轉(zhuǎn)化分析能使每一次沖擊后結(jié)構(gòu)迅速達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。但是第一次沖擊的等效塑性應(yīng)變占三次累計(jì)等效塑性應(yīng)變的絕大部分，所以在沒(méi)有特殊精確需求的情況下可以采用單次沖擊進(jìn)行評(píng)價(jià)。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方