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仿真分析｜新能源汽車電池包焊點模擬及擠壓分析計算

2018-09-25 22:39:21·  來源：海納有限元服務(wù)號  
　
電池包作為新能源汽車的核心元件,其結(jié)構(gòu)安全性的保證是新能源汽車在運行過程中必不可少的。本文對某型號電池包進行了擠壓分析計算,分析過程中考慮到電池包裝配模

電池包作為新能源汽車的核心元件,其結(jié)構(gòu)安全性的保證是新能源汽車在運行過程中必不可少的。本文對某型號電池包進行了擠壓分析計算,分析過程中考慮到電池包裝配模型的復(fù)雜性及 Abaqus/Explicit 模塊中單元類型的局限性,采用 C3D8R 單元模擬焊點,避免了剛性單元模擬焊點時局部剛度過大以及嚴重依賴網(wǎng)格的弊端。

關(guān)鍵詞: 電池包, 擠壓分析, 焊點, 顯式有限元法

1 前言

在高油價和低排放的雙重背景下,發(fā)展新能源成為了低碳環(huán)保節(jié)能減排的必然選擇,新能源汽車也得到了越來越多的關(guān)注。發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為世界各國的共識,中國為實現(xiàn)“到 2020 年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值 CO2 排放比 2005 年下降 40%~ 5%"”的目標和汽車產(chǎn)業(yè) “彎道超車”的歷史使命,將其列入七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中。

蓄電池作為混動和純電動車的動力來源之一,在整車上承擔(dān)著重要的作用。而電池包殼體則起著保證電池組安全和正常工作的關(guān)鍵作用。為保證電池包系統(tǒng)的正常工作,GB/T中對電池包的擠壓性能提出了要求。本分析的目的就是通過計算機仿真的方法檢驗電池包是否可以滿足國標對電池包擠壓性能的要求。在動力驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)早期,對電池包的抗擠壓特性進行合理的評估和改進可以減少設(shè)計周期,降低風(fēng)險,保證電池包能滿足安全性能的要求,同時保證零件的局部強度性能。

由于電池包里零部件眾多,普遍采用的是點焊技術(shù)進行結(jié)構(gòu)連接。焊點結(jié)構(gòu)的特殊性對電池包結(jié)構(gòu)強度、剛度均有很大的影響。

目前,主要的焊點處理方式有以下幾種：

1) 剛性連接法:該方法是在兩個零部件連接部位建立剛性連接單元,可以采用六自由度或三自由度 (只約束平動) 的連接方式,使兩個節(jié)點在被約束自由度上有相同的位移,這種連接方式會導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)剛度偏大,局部連接區(qū)域會產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2)公共節(jié)點法:該方法是將不同零部件上對應(yīng)的節(jié)點合并,相鄰零部件在點焊處采用同一節(jié)點,這種連接方式對模型要求較高,對應(yīng)節(jié)點位置相差不能太遠,單元網(wǎng)格的質(zhì)量要求比較高,且無法模擬焊點斷裂的情況。

3)公共單元法:該方法是在點焊連接處建立三維單元來模擬焊點,并把該單元與相鄰零部件 Tie 在一起。這種方法處理起來工作量比較大,但是精度較高,力和力矩通過實體單元來進行傳遞,更加符合實際工況。

2 電池包擠壓計算模型

電池包的擠壓是采用半圓柱體對電池包外殼從 X 方向?qū)嵤D壓,擠壓距離控制在電池包該方向長度的 30%,電池包的有限元模型如圖 1 所示。

圖1 有限元模型圖

2.1 邊界條件

X 方向的擠壓模型如圖 2 所示,電池包放置于支撐板和擠壓板之間,以較小的速度來進行擠壓,用準靜態(tài)來模擬靜態(tài)受力。考慮到電池包前擠壓面與后擠壓面之間存在一個高度差,在擠壓過程中會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩,導(dǎo)致電池包在擠壓過程中翻轉(zhuǎn),并且隨著電池包的翻轉(zhuǎn),高度差會增加,從而產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。因此,需要在電池包翻轉(zhuǎn)初期對其進行控制, 限制住電池包在擠壓過程中不符合實際的移動變形。

圖2 電池包 X 方向擠壓模型

依據(jù) ZMP (zero moment point) 理論,電池包所受到的合力 (外力、慣性力、重力) 的延長線的交點稱為 ZMP,當(dāng)ZMP 位置位于電池包與支撐板接觸范圍內(nèi)時,電池包將不會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。為了盡可能小的約束模型,同時達到抑制電池包在擠壓中翻轉(zhuǎn)的問題,采用剛度較小的 SPRINGA單元連接電池包前端位置,如圖 3 所示。

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