鋰離子電池打包機(jī)的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

黃 毅，周 兵

（1湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢430068；2湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430070）

我國鋰離子電池產(chǎn)量大，特別是作為汽車動力的電池，其市場前景非常遼闊［1－2］。國內(nèi)的鋰離子電池企業(yè)在這方面還需加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高動力電池系統(tǒng)集成開發(fā)能力，開發(fā)滿足電動自行車和低速電動車需要的動力電池。本文以鋰離子電池打包機(jī)為例，研究其中定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)問題。

1 鋰離子電池打包機(jī)工作原理

鋰離子電池打包機(jī)由定位機(jī)構(gòu)、加壓機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成（圖1），其工作任務(wù)是將24塊鋰離子電池打包成一個整體的電池組（圖2）。在導(dǎo)向桿的導(dǎo)向下，將第一塊電池放置到升降底座上，掃描槍對電池上的二維碼進(jìn)行掃描，掃描信息完畢并且正確，電機(jī)帶動升降底座下降一個電池的高度，接著放置下一塊，直到24塊電池全部放置完成；加壓機(jī)構(gòu)接著對堆疊完成的電池組進(jìn)行壓緊，然后用4個長螺栓進(jìn)行定扭矩的擰緊固定，在定位機(jī)構(gòu)松開后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將電池組移出，使其處于水平狀態(tài)，等待下一道工序。

圖3是用SolidWorks建立的定位機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型，定給機(jī)構(gòu)包括底部支撐定位機(jī)構(gòu)、4套獨(dú)立的側(cè)面定位機(jī)構(gòu)等。在理論應(yīng)用到實(shí)踐的過程中，發(fā)現(xiàn)側(cè)面定位機(jī)構(gòu)的定位精度對電池組的打包精度影響很大，所以選擇以側(cè)面定位機(jī)構(gòu)為例，對其進(jìn)行受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖1 鋰離子電池打包機(jī)三維模型

圖2 鋰離子電池和打包后的電池組

圖3 電池打包機(jī)定位機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

2 側(cè)面定位機(jī)構(gòu)的受力分析

在保證任意兩塊電池之間層疊偏差在±0.5 mm之內(nèi)的前提下，通過受力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來增強(qiáng)側(cè)面定位機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度以及剛度。采用Solid－Works建立三維模型，保存為STP格式，然后將模型通過ANSYS的數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ANSYS Workbench中，用以分析側(cè)面定位機(jī)構(gòu)在工況及載荷下的位移、應(yīng)力，從而對其進(jìn)行優(yōu)化。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的速率，對實(shí)體模型進(jìn)行了忽略倒圓角、螺紋孔、銷孔、小零件等細(xì)節(jié)的簡化處理。

從側(cè)面定位機(jī)構(gòu)中取相似的一段進(jìn)行分析。其由一根型材支架和底部4個固定座組成:型材支架的材料為鋁型材6063-T5，密度為2.7g/cm3，楊氏模量為7×104MPa，泊松比為0.33；固定座的材料為Q235，密度為7.85g/cm3，楊氏模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33。接觸面的類型選擇“boned”來進(jìn)行仿真。

網(wǎng)格的劃分是有限元分析的重要步驟之一，關(guān)系到計(jì)算的難易程度及結(jié)果的精度［3－4］。根據(jù)模型的實(shí)際大小，在保證網(wǎng)格的規(guī)模和計(jì)算速率下，網(wǎng)格大小設(shè)定為10mm，共得到50 073個單元，11 568個節(jié)點(diǎn)，圖4a為側(cè)面定位機(jī)構(gòu)的有限元模型。裝配完成后，側(cè)面定位機(jī)構(gòu)的4個固定座通過8個螺栓連接在設(shè)備底板上面，因此固定座和設(shè)備底板的接觸面上施加固定約束面（Fixed Support）來模擬實(shí)際的情況。

在鋰離子電池裝配的時候，周圍的側(cè)面定位機(jī)構(gòu)會受到擠壓力，從而影響定位精度。受力結(jié)構(gòu)簡圖如圖4b所示。為了得到側(cè)面定位機(jī)構(gòu)在允許的變形范圍之內(nèi)所能承受力的大小，對其進(jìn)行分析計(jì)算，得到對應(yīng)的結(jié)果變形云圖（圖4c）和結(jié)果應(yīng)力云圖（圖4d）。

圖4 側(cè)面定位機(jī)構(gòu)的有限元模型、受力結(jié)構(gòu)簡圖、結(jié)果變形和應(yīng)力云圖

由圖4c可見，在施加了441N力時，側(cè)面定位機(jī)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在頂端部位，最大位移為0.50018mm，最大的等效應(yīng)力集中出現(xiàn)在前面兩個固定座與型材支架的連接處，最大等效應(yīng)力為6.5761 MPa。由分析結(jié)果可以得到，在向側(cè)面定位機(jī)構(gòu)施加的擠壓力超過441N時，它的變形量剛剛超過了0.5mm。固定座所用材料是Q235，其極限抗拉強(qiáng)度為375MPa，遠(yuǎn)大于其最大等效應(yīng)力，滿足強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

3 側(cè)面定位機(jī)構(gòu)優(yōu)化

側(cè)面定位機(jī)構(gòu)所受的力可能會大于441N，這樣就很難使其定位精度保持在±0.5mm以內(nèi)，因此需要通過改變其結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)剛性。優(yōu)化過程所采取的措施是:將鋁型材材料換成方鋼（Q235）材料，把兩根側(cè)面定位機(jī)構(gòu)上端通過方鋼焊接起來，把兩個小的固定座合并成一個整體并且對加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，以提高定位機(jī)構(gòu)的剛性。圖5為側(cè)面定位機(jī)構(gòu)優(yōu)化前后的對比圖。

圖5 側(cè)面定位機(jī)構(gòu)優(yōu)化前后對比

從圖6可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在承受了1337 N力后，才發(fā)生了0.5mm的變形量，所能承受的擠壓力是優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的3.03倍，最大的等效應(yīng)力出現(xiàn)優(yōu)化后的固定座和方鋼支架連接處，大小為32.091 MPa，遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度，適宜長期使用。圖7為優(yōu)化后的定位機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型。

圖6 優(yōu)化后的側(cè)面定位機(jī)構(gòu)位移和應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后的定位機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用 SolidWorks替代 ANSYS Workbench對側(cè)面定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，提高了工作效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，通過軟件接口將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，進(jìn)行靜力學(xué)的分析和計(jì)算，得到了側(cè)面定位機(jī)構(gòu)的結(jié)果變形云圖和應(yīng)力云圖?；诜治龊陀?jì)算結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了優(yōu)化后的結(jié)果變形云圖和應(yīng)力云圖。優(yōu)化后，定位機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能得到了增強(qiáng)，定位精度得到保證。

［1］ 郎 鵬，任 劍.發(fā)展我國鋰離子動力電池關(guān)鍵工藝設(shè)備思考［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，38（11）:23-26.

［2］ 和祥運(yùn)，劉恩華，張嘉禾.鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)鏈研究［J］.北京汽車，2011（04）:9-11.

［3］ 趙經(jīng)文，王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.第2版.北京:科學(xué)出版社，2001.

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［5］ 丁欣碩，凌桂龍.Ansys Workbench 14.5有限元分析案例詳解［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2014.