動力電池箱體的CAE仿真介紹 _知識百科

CAE軟件的主體是有限元分析（Finite Element Analysis）軟件，有限元方法的基本思路是把結構離散化，用有限個容易分析的單元表示復雜對象，單元之間通過有限個節點相互連接，根據變形協調條件綜合求解。由于單元數目是有限的，節點數量也是有限的，所以稱為有限元法。該方法靈活性較大，改變單元的數量可以使解得精確度改變，得到與真實情況無限接近的解。有人估算過CAE各階段花費的時間：模型的建立和數據輸入在～45％左右，結果分析和評定大約50％左右，而真正的計算時間大約占據5％左右。
采用CAD工具建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，稱之為CAE前處理。前處理模塊主要用于給實體建模以及參數化建模，構建的布爾運算、單元自動剖分、節點編號與節點參數生成、載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入、節點載荷自動生成、模型信息自動生成等。
之后就是有限元分析，對有限元模型進行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成。有限元分析模塊包含有限元庫，材料庫和相關算法，約束處理算法，有限元系統組裝模塊，靜力、動力、振動、線性和非線性解法庫。通過分解成子問題，用不同的有限元分析子系統完成分析。子系統包括線性靜力分析子系統、動力分析子系統、震動模態分析子系統、熱分析子系統等等。
當然， CAE結果也需要CAD技術生成圖形輸出，例如位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖形，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨著機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、壓力分布的動態顯示圖。后處理模塊包括數據平滑，個物理層的加工和現實，針對工程或產品設計要求的數據檢驗和規范校核，設計優化與模型修改等，這些都可以看作是CAE后處理。
下圖是一般的CAE分析流程

文章插圖

電池包結構的CAE分析一般有模態分析、靜態分析、動態分析、疲勞分析等。其中電池箱的CAE分析一般包括：
1、建立仿真模型
a）定義材料屬性。根據電池箱材料確定相關材料參數：密度、彈性模量、泊松比、強度極限等。進行靜力學強度、剛度及模態分析，采用線性彈性材料仿真時，一般要輸入材料的彈性模量、密度和泊松比，進行軸向振動沖擊仿真時，一般是材料的非線性，采用應力－應變曲線定義材料模型
b）劃分網格。例如采用Hypermesh對電池箱進行數模處理和網格劃分。一般需要按照質量要求劃分網格，使其單元長寬比盡量接近1 。同時處理好網格扭曲，例如，四邊形盡量接近正方形，如果扭曲避免，可采用細化網格減輕扭曲程度。翹曲問題可以采用翹曲條件和映射網格消除，不可避免時，也采用細化網格減輕翹曲。電池箱各部件的網格需要進行交叉穿透檢查，重負調整直到合格
c）定義相互作用、邊界條件、施加載荷。定義各部件之間的焊接、螺栓連接和多軸向振動沖擊仿真時模塊與電池箱的接觸。邊界條件主要模擬電池箱和車體的連接，將螺栓連接孔的自由度全部約束
2、仿真分析
a）靜強度分析。電池箱不直接承受工作載荷，汽車在不平整路面行駛時，電池模塊晃動產生的慣性沖擊力作用于電池箱內壁，進行有限元仿真時，把模塊的沖擊載荷通過動載荷系數等效為靜載荷，均勻施加在電池箱內壁。載荷工況分為：顛簸行駛并轉彎：根據汽車轉彎常見的加速度和路面不平產生的加速度來確定作用在側壁的載荷。顛簸行駛和剎車的載荷加載類似，但是此時載荷作用在另一側側壁。
b）剛度分析。主要考慮的工況為扭轉和玩去。當電池箱結構跨度較大時，容易產生形變。通過應力云圖得出在扭轉或玩去載荷作用下，可以得到電池箱結構容易產生破壞的地方。
c）模態分析。通過在底部添加質量點來模擬電池模塊的質量分布。模態分析目的是為了得到電池箱結構的固有頻率，如果結構固有頻率與定頻振動測試的頻率接近，則需要對結構改進，改變其固有頻率，避免共振。
d）多軸向振動沖擊仿真。定頻振動時：包括上下、左右、前后，需要分別施加三個方向的載荷模擬試驗臺對電池箱施加的激勵。把隨著時間變化的加速度轉化為相應的位移來施加振動載荷，振動載荷加在拖腳處，即給拖腳部分施加一個隨著時間變化的強迫位移；掃頻振動時：按照試驗條件事假載荷。
e）疲勞分析。這需要整車CAE分析結果和實驗數據、電池箱材料的S－N（應力－壽命曲線）、材料的疲勞極限圖、有效應力集中因數、尺寸因數和表面質量因數等參數。如果沒有足夠的實驗參數支持，可以對電池箱結構進行虛擬工況下的疲勞分析，即假設電池箱在真實約束狀況下受正弦交變載荷作用，分析此時的電池箱疲勞壽命。
f）碰撞性能。電池箱碰撞性能也需要整車碰撞數據支持，或者根據經驗值分析。
先介紹到這里，后面針對每一個方面還需要具體展開。
參考文獻
CAE方法中的優化技術及應用。倪正順
NASTRAN蓄電池箱有限元分析與實測研究。李夕亮
CAD／CAE技術在汽車車架設計中的應用。張鐵山
汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗研究。龍建云
HyperWorks分析應用實例。李楚琳
車用動力電池包結構CAE分析優化研究。王麗娟
電動汽車動力蓄電池箱震動特性試驗研究。桑林
基于CAE技術的機械結構優化方法。張紅旗
【動力電池箱體的CAE仿真介紹】作者：129Lab