有限元分析在蓄電池槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李春景 李 軍 孫 磊（浙江天能電池（江蘇）有限公司，江蘇 沭陽(yáng) 223600）

有限元分析在蓄電池槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李春景 李 軍 孫 磊
（浙江天能電池（江蘇）有限公司，江蘇 沭陽(yáng) 223600）

文章使用SolidWorks軟件建立蓄電池槽的有限元分析模型，分析了3種受力條件下的應(yīng)力和變形情況，為蓄電池槽強(qiáng)度分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

有限元；蓄電池槽；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1.引言

蓄電池槽是蓄電池反應(yīng)的容器，具有承載并保護(hù)極群的作用。蓄電池槽的壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，既要有足夠的厚度保證強(qiáng)度，又要容易散熱，減少電池內(nèi)部高溫對(duì)壽命的影響。因此，設(shè)計(jì)出壁厚合理的蓄電池槽對(duì)蓄電池產(chǎn)品性能有重要的意義。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累和反復(fù)試驗(yàn)摸索最佳的壁厚參數(shù)，周期較長(zhǎng)而且不夠直觀。本文使用SolidWorks軟件構(gòu)建蓄電池槽的三維模型，利用有限元分析插件SimulationXpress生成了蓄電池槽的應(yīng)力分布及變形情況，為蓄電池槽的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

2.有限元理論及軟件

有限元法就是把連續(xù)結(jié)構(gòu)分散成一定數(shù)目的具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元，將連續(xù)結(jié)構(gòu)看做只是在節(jié)點(diǎn)處組合的一系列單元。進(jìn)行有限元分析，先要將分析對(duì)象的實(shí)體模型分散為一組有限數(shù)量的單元體，這些單元按照一定方式相互組合在一起，同時(shí)在每個(gè)單元體上施加相應(yīng)載荷，然后分析計(jì)算每個(gè)單元體變化的位移和受到的節(jié)點(diǎn)力。

SolidWorks是一款進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的軟件，設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用該軟件快速的將設(shè)計(jì)思維轉(zhuǎn)化為草圖，運(yùn)用各種特征工具將草圖快速生成三維模型。SolidWorks軟件中的SimulationXpress插件可以進(jìn)行實(shí)用的有限元分析，是一種簡(jiǎn)單易用的應(yīng)力分析工具。SimulationXpress向?qū)Ы缑姘▕A具、載荷、材料、運(yùn)行、結(jié)果和優(yōu)化等步驟，如圖1所示。SimulationXpress分析結(jié)果可以顯示應(yīng)力分布、位移分布、模型變形形狀和安全系數(shù)，并可以導(dǎo)出文檔報(bào)告和SolidWorks eDrawing報(bào)告。

圖1　SimulationXpress向?qū)Ы缑?/p>

3.蓄電池槽有限元分析

本文以常見(jiàn)的6-DZM-12蓄電池槽為例，其6個(gè)單體槽格按照2×3結(jié)構(gòu)排列，外形尺寸為150mm×100mm×88mm，側(cè)壁厚和底厚均為2.5mm，單體槽間的隔筋均為1mm。先使用SolidWorks建立6-DZM-12蓄電池槽的三維模型，為便于有限元分析，建立模型時(shí)忽略了脫模斜度和過(guò)渡圓角。SolidWorks軟件中ABS材料彈性模量為210MPa。蓄電池槽經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化處理，劃分為8765個(gè)四面體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為17144個(gè)，網(wǎng)絡(luò)單元體劃分結(jié)果如圖2所示，網(wǎng)格信息見(jiàn)表1。

圖2　蓄電池槽模型網(wǎng)格劃分

表1　蓄電池槽網(wǎng)格信息

（1）裝配壓強(qiáng)分析

VRLA電池的極群使用AGM緊裝配工藝，AGM隔板具有一定的彈性，當(dāng)極群裝入蓄電池槽中時(shí)，對(duì)蓄電池槽有一定的壓強(qiáng)。6-DZM-12電池極群的最大裝配壓強(qiáng)能達(dá)到100kPa，在該蓄電池槽長(zhǎng)邊的內(nèi)側(cè)面施加100kPa向外的壓強(qiáng)，同時(shí)約束上下面，如圖3。

圖3　裝配壓強(qiáng)載荷分布和約束條件

通過(guò)SimulationXpress對(duì)蓄電池槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，得到蓄電池槽在裝配壓強(qiáng)作用下應(yīng)力和位移分布情況。最大應(yīng)力為19MPa，出現(xiàn)在槽口位置，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ABS材料彈性模量210MPa。如圖4所示，最大位移出現(xiàn)在單格槽側(cè)面的中心位置，最大變形位移為0.7mm。蓄電池槽寬度最大位移量已接近±2mm的產(chǎn)品安裝尺寸要求。

圖4　裝配壓強(qiáng)作用等效位移分布

（2）氣壓分析

VRLA電池在充電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣體，當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)，須從安全閥排出，DZM系列電池的最高開(kāi)閥壓力一般設(shè)置為30kPa。蓄電池槽內(nèi)部各個(gè)面會(huì)受到向外的壓強(qiáng)，由于長(zhǎng)側(cè)面的裝配壓強(qiáng)大于氣壓，所以這里只研究短側(cè)面。

通過(guò)SimulationXpress計(jì)算，得到蓄電池槽在氣壓作用下應(yīng)力和位移分布情況。最大應(yīng)力為5MPa，出現(xiàn)在槽口位置。如圖5所示，最大位移出現(xiàn)在單格槽側(cè)面的中心位置，最大變形位移為0.2mm。

圖5　氣壓作用等效位移分布

（3）底部沖擊分析

電動(dòng)自行車(chē)蓄電池安裝方式現(xiàn)在大多水平放置于踏板處，當(dāng)車(chē)輛在顛簸路段行駛時(shí)，蓄電池受到的沖擊主要來(lái)自底部。約束蓄電池槽的側(cè)面，施加載荷為蓄電池重量的3倍，即3g的沖擊力。

經(jīng)過(guò)SimulationXpress計(jì)算，得到蓄電池槽在底部沖擊力作用下應(yīng)力和位移分布情況。最大應(yīng)力為0.5MPa，出現(xiàn)在底部中心。如圖6所示，最大位移出現(xiàn)在單格槽底部的中心位置，最大變形位移為0.02mm。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)蓄電池槽在裝配壓強(qiáng)、氣壓和底部沖擊作用下進(jìn)行有限元分析，快速得出了各個(gè)面的應(yīng)力和位移分布情況。由于蓄電池槽所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于ABS塑料的彈性模量，所以壁厚的設(shè)計(jì)主要參考位移分布情況。通過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)該蓄電池槽的側(cè)面和底部都有結(jié)構(gòu)改進(jìn)的空間，為產(chǎn)品升級(jí)提供理論參考。

圖6　底部沖擊等效位移分布

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編輯：季晨宸