守护电动“心脏”！仿真APP在汽车电池包随机振动分析中的应用

news2024/11/15 16:01:39

汽车电动化、智能化、绿色化发展已成为全球各国应对气候变化、实现低碳发展的共同选择。在此背景下，新能源汽车持续高速发展。电池包作为新能源汽车的“心脏”，是其主要动力来源，直接影响车辆的续航里程与行驶安全。电池包结构的安全可靠性对新能源汽车至关重要，同时也是衡量新能源汽车产品竞争力的重要指标之一。

图1 新能源汽车电池包结构示意图

汽车在路面行驶时，会遭遇到较为复杂的路面工况，比如颠簸路、补丁路、坑洼路等，这些路面不平度所产生的激励通过车身传递给电池包。为了确保结构不受破坏，电池包必须具备足够的强度来承受路面的随机载荷。

通常获取电池包结构振动特性的途径包括数值仿真与试验方法。试验方法可依据《GB38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求》进行测试，该国标对于不同类型车辆及振动测试条件等均有明确说明。但试验方法需要物理样机，测试过程较长、成本较高。鉴于电池包内部结构复杂，且设计变更频率较高，因此借助数值仿真的手段可大幅提升产品优化迭代的效率，缩短研发周期，降低测试成本。

电池包随机振动仿真可用于评估电池包在振动条件是否满足结构性能要求。这种分析方法有效确保了电池包在汽车正常行驶过程中不产生振动破坏。通过随机振动仿真，可以识别结构振动风险以及潜在的结构失效位置，进而采取相应的措施来改善设计或加强结构，提高电池包的可靠性和安全性。

一、仿真APP解决方案

本案例基于伏图隐式结构分析功能对某新能源汽车电池包进行随机振动仿真，并对仿真流程进行无码化快速封装，形成专用的汽车电池包随机振动仿真APP，可实现以下功能：

快速评估不同材料对箱体结构随机振动特性的影响；
快速评估不同结构阻尼系数对电池包结构随机振动响应的影响；
考查不同模态数及扫频区间对结构随机响应结果的影响；

可快速设置不同放大系数下的功率谱密度对结构随机响应的影响，评估在极端工况下电池包结构的振动特性。

1. 仿真流程搭建

1) 几何导入

将电池包几何模型（.stp或.step格式)导入伏图平台中。

图2 几何导入

2) 材料赋予

电池包下箱体与上盖板均为AL6061，其密度为2700kg/m^3，杨氏模量为70000MPa，泊松比为0.33，屈服强度为248MPa。

图3 材料赋予

3) 网格剖分

对电池包进行网格剖分，本案例均采用一阶四面体剖分。为减少网格规模量，本案例电池模组采用质量点代替，实际工程计算中建议电池模组采用六面体单元进行模型建立。

图4 网格剖分

4) 连接定义

将电池包下箱体与上盖板进行绑定连接，电池模组与下箱体采用分布耦合连接。

图5 下箱体与上盖板绑定连接

图6 电池模组与下箱体分布耦合连接

5) 边界设置

对电池包安装孔进行六自由度全约束设置。

图7 约束条件

6) 创建分析

本案例采用模态法随机响应分析，故第一步创建频率分析，第二步创建随机响应分析，为保证计算精度，频率分析步的频率区间取激励频率的1.5-2倍。

随机振动分析步载荷输入即加速度PSD功率谱密度可参考《GB38031-2020电动汽车用动力蓄电池安全要求》进行设置，完成各分析步参数设置后，提交计算。本次主要进行了Z向随机振动分析。

图8 各分析步参数设置

7) 结果评价

伏图随机响应分析可输出PSD位移、PSD速度、PSD加速度以及RMS位移、RMS速度、RMS加速度、RMS Mises 应力等结果，其中RMS又称为均方根或标准差。

电池包随机振动分析中RMS结果即为1σ结果，是随机振动分析中的一个重要指标，用于评估电池包在随机振动载荷下的响应特性。在随机振动分析中，结果通常以标准差σ的形式表示，其中1σ结果表示实际结果小于等于计算值的可能性为68.27%或者是68.27%的响应时间小于等于1σ。

图9 结果评价

常用的方法是将3σ应力与材料的屈服强度进行比较，如果3σ应力小于屈服强度，则表明电池包结构可满足随机振动要求。如本次分析Z向加速度功率谱密度下的RMS应力（1σ）为12.15MPa，其3σ应力为36.45MPa远小于屈服强度为248MPa，即结构在99.73%的响应时间里应力水平小于等于36.45MPa，其结构强度性能满足要求。