基于Hypermesh和ANSYS的超級電容器充電柜體的強度分析

（寧波中車新能源科技有限公司，浙江 寧波 315112）

基于Hypermesh和ANSYS的超級電容器充電柜體的強度分析

黃慶福，何嘯月，何靈

（寧波中車新能源科技有限公司，浙江 寧波 315112）

通過超級電容器充電柜體的強度分析實例，介紹了Hypermesh建模過程及簡化有限元模型，利用ANSYS軟件中的靜力學分析模塊、瞬態(tài)動力學模塊和模態(tài)分析模塊分析柜體結(jié)構(gòu)強度，以傾斜、搖擺、振動和沖擊四種工況校驗柜體強度，為產(chǎn)品柜體設(shè)計提供指導(dǎo)。

超級電容器充電柜；強度分析；Hypermesh；ANSYS

超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種新型電力儲能器件，也稱為電化學電容。超級電容單體的容量目前已經(jīng)做到萬法拉級，具有循環(huán)壽命長、功率密度大、充放電速度快、高低溫性能好、容量配置靈活、環(huán)境友好免維護等優(yōu)點。超級電容儲能裝置包含有儲能柜體和電氣柜體等，充電柜體在整套系統(tǒng)中占據(jù)重要作用。

在進行充電柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，常常要求結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，因此結(jié)構(gòu)強度與壽命的評估就變得愈來愈復(fù)雜，愈來愈重要。要進行結(jié)構(gòu)強度與壽命評估，經(jīng)常需要參照有關(guān)的理論、方法、行業(yè)上的規(guī)范及材料的數(shù)據(jù)，而這些理論、方法、資料大多是經(jīng)過大量實驗、工程實務(wù)歸納出來的。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用， Hypermesh軟件具有強大的幾何處理能力，可以很快地讀取那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù)，大大提高了CAE分析工程師的工作效率；ANSYS具有強大的網(wǎng)格劃分、加載求解和后處理功能以及良好的開放性。ANSYS的幾何建模功能相對較弱。單一的Hypermesh或者ANSYS很難迅速優(yōu)質(zhì)地完成任務(wù)，較好地解決方案是充分利用ProE的三維建模功能，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS進行分析計算。本文將結(jié)合某超級電容器充電柜體的強度分析，對處理復(fù)雜模型的有限元分析進行闡述。

1 充電柜幾種工況試驗條件及要求

充電柜需校驗以下四種工況：傾斜、搖擺、振動和沖擊。

1.1 傾斜和搖擺試驗要求

依據(jù)標準要求，水面船舶傾斜與搖擺試驗值如表1所示。

表1 水面船舶傾斜與搖擺試驗量值

1.2 振動工況試驗要求

振動工況依據(jù)標準中安裝在船舶上設(shè)備的振動試驗量值，分析采用船舶部分數(shù)據(jù)，由表2可知，試驗頻率范圍為16～60Hz（表2）。

1.3 沖擊工況試驗要求

根據(jù)客戶提供的隔振器選型文件，隔振器傳遞給機柜的加速度：Z向24g，X/Y向11.2g。根據(jù)隔振器選型計算，分析時只需單獨施加某一方向的加速度。沖擊工況分析時，采用上述數(shù)據(jù)加載。

2 充電柜有限元模型建立

2.1 充電柜結(jié)構(gòu)參數(shù)

充電柜重量≤830kg，機柜框架材質(zhì)采用Q235，詳細尺寸如圖1所示。

2.2 仿真模型的創(chuàng)建

2.2.1 模型的簡化

在Hypermesh軟件中建立充電柜的有限元模型，首先結(jié)合分析目的，對充電柜幾何模型進行合理的簡化，具體包括：（1）忽略大多數(shù)的圓角；（2）忽略各處的螺栓及螺栓孔；（3）焊縫轉(zhuǎn)化為直接連接等。通過上述建模方法，模型后續(xù)處理中會更加方便、高效，而且對仿真計算結(jié)果影響不大。

表2 安裝在船舶上設(shè)備的振動試驗量值

圖1 充電柜各個部分尺寸及重量

圖2 Hypermesh中充電柜的有限元模型

2.2.2 確定材料屬性

充電柜采用Q235，材料屬性為：楊氏彈性模量210GPa、泊松比0.3。

2.2.3 充電柜有限元模型

網(wǎng)格的類型主要取決于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、施加的載荷及需要的計算精度。機柜大部分是型材薄板件，選用2D單元進行模擬，充電機、控制單元等設(shè)備簡化為質(zhì)量點。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

3 傾斜工況仿真結(jié)果與分析

傾斜環(huán)境包括橫傾和縱傾。由于船舶的傾斜激發(fā)靜態(tài)力效應(yīng)，考慮極限角度（22.5°）橫、縱傾斜下，基于ANSYS進行靜力學分析，來校驗結(jié)構(gòu)強度和剛度是否符合要求。

根據(jù)隔振器與充電柜的接觸情況設(shè)置約束：由于傾斜極限角度是靜力學范疇，故將隔振器與充電柜的接觸面設(shè)為固定約束。傾斜工況有限元仿真結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 橫傾工況應(yīng)力/應(yīng)變云圖

圖4 縱傾工況應(yīng)力/應(yīng)變云圖

表3 傾斜工況應(yīng)力應(yīng)變值

表4 縱搖工況應(yīng)力應(yīng)變值

由圖3、4及表3可以看出，橫傾時，應(yīng)力最大集中在與最左端隔振器的接觸面上，最大值約為82.7MPa，對應(yīng)的應(yīng)變最大值為4.14e-4；縱傾時，應(yīng)力最大集中在與第二個隔振器接觸面附近，最大值約為72MPa，對應(yīng)的應(yīng)變最大值為3.62e-4；其他區(qū)域應(yīng)力值在30MPa左右。而Q235的屈服強度為235MPa，取安全系數(shù)為1.5，則材料許用屈服強度[σ]=σ/1.5=156.7MPa。由此可知，機柜強度、剛度都能滿足傾斜工況要求。

4 搖擺工況仿真結(jié)果與分析

搖擺環(huán)境包括橫搖和縱搖。船舶搖擺運動會激發(fā)動態(tài)效應(yīng)，導(dǎo)致平衡的作用力失衡。因此，需校驗強度是否滿足搖擺工況要求。

根據(jù)隔振器與充電柜的接觸情況設(shè)置約束故將隔振器與充電柜的接觸面設(shè)為固定約束，并在質(zhì)心施加重力加速度，方向與充電柜豎直方向夾角為45°。搖擺工況有限元仿真分析結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 橫搖工況應(yīng)力/應(yīng)變云圖

圖6 縱搖工況應(yīng)力/應(yīng)變云圖

由圖5、6及表4可知，橫搖角度到達極限角度45°時，應(yīng)力最大集中在充電機與底部梁的接觸面位置，最大值約為101.35MPa，應(yīng)變最大值為5.09e-4；橫搖角度到達極限角度45°時，應(yīng)力最大集中隔振器與底部梁的接觸位置，最大值約為74.66MPa，應(yīng)變最大值為4.22e-4，Q235的屈服強度為235MPa，取安全系數(shù)為1.5，則許用屈服強度[σ]=σ/1.5=156.7MPa。由此可知，機柜強度、剛度均滿足搖擺工況要求。

5 振動工況分析

5.1 振動工況環(huán)境

作用在充電柜上的各種激振力會使充電柜產(chǎn)生復(fù)雜的振動，如果這些激振力的頻率與充電柜的某一固有頻率相同，充電柜就會產(chǎn)生共振。因此動態(tài)設(shè)計要求充電柜具有一定的固有頻率和振型。

由表2可知，船舶上的設(shè)備試驗頻率范圍為16～60Hz。通過ANSYS模態(tài)分析來校驗充電柜的固有頻率是否符合要求。

5.2 振動工況仿真結(jié)與分析

振動工況有限元仿真結(jié)果顯示，前6階為剛體模態(tài)。充電柜第8階～第13階模態(tài)頻率處于船舶上的設(shè)備試驗頻率范圍（16～60Hz）。充電柜固有頻率與船舶的激振頻率有可能重合。為此，需通過諧分析校驗各階頻率下充電柜的強度，剛度是否符合要求。

5.3 諧分析

充電柜受激振頻率的范圍為16～60Hz，激振加速度為10m/s2，最大位移值不超過1mm。根據(jù)ANSYS諧響應(yīng)分析模塊進行分析，在各個共振頻率下，機柜上最大的應(yīng)力的位置與陣型有關(guān)。整體來看，最大應(yīng)力和位置都出現(xiàn)在第十三階模態(tài)頻率下，但其應(yīng)力值為66.3MPa，小于Q235的屈服強度；位移最大為0.24mm，小于1mm，因此，振動工況下能滿足強度和剛度要求。

6 沖擊工況分析

6.1 沖擊環(huán)境及隔振器參數(shù)信息

由廠家分析給出的從隔振器（型號GS500-104-08）傳遞給充電柜的峰值加速度如表5所示。

表5 充電柜的峰值加速度要求

即最大Z向峰值加速度：24×9.8=235.2m/s2，而X/Y方向峰值加速度為：11.2×9.8=109.8m/s2。

6.2 沖擊工況仿真結(jié)果與分析

隔振器可用長方體彈性體模擬，輸入材料的等效楊氏模量、泊松比和阻尼系數(shù)。對隔振器底部施加固定約束，給充電柜施加相應(yīng)的沖擊加速度。其中Z向加速度為：24×9.8=235.2m/s2，而X/Y方向加速度分別為11.2×9.8=109.8m/s2。沖擊工況應(yīng)力/應(yīng)變最大值如表6所示。

有限元分析結(jié)果顯示， Z向沖擊力時，應(yīng)力主要集中在充電機、隔振器與底部框架梁接觸的位置，應(yīng)力值普遍小于150MPa，個別區(qū)域如應(yīng)力最大的梁的角邊，存在較大的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達到402MPa，超過材料的屈服強度。X/Y向沖擊力時，應(yīng)力主要集中在豎直梁與上下框架梁相交處附近，如第三根豎直梁與上下框架相交的角點處，存在較大的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達到629MPa，超過材料的屈服強度。

在加強相應(yīng)薄弱位置的結(jié)構(gòu)后，對應(yīng)的最大應(yīng)力應(yīng)變?nèi)绫?所示。受Z向沖擊時，最大應(yīng)力值為131.6MPa，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.32e-4。受X/Y向沖擊時，最大應(yīng)力值為183.3MPa,對應(yīng)的應(yīng)變值為9.81e-4。應(yīng)力值均小于Q235的屈服強度，應(yīng)變也很小。因此，增加材料厚度后沖擊工況下滿足強度和剛度的要求。

表6 Z向和X/Y向沖擊工況應(yīng)力/應(yīng)變最大值

7 結(jié)語

強度分析：傾斜和搖擺工況下，機柜都能滿足要求；沖擊工況下，機柜底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大。在局部加厚為7.5mm后，滿足強度和剛度的要求。

剛度分析：通過傾斜、搖擺和沖擊工況分析，得知機柜應(yīng)變很小，滿足剛度要求。通過振動工況下的模態(tài)分析得知，機柜13階固有頻率在船舶試驗量值（16～60Hz）范圍內(nèi)，各階振型的振幅值不大。

沖擊工況下，局部區(qū)域應(yīng)力超出材料的許用應(yīng)力值，為滿足柜體使用要求，可選擇三種方案其中之一：（1）將該部分的結(jié)構(gòu)改為矩形斷面；（2）增加機柜底部結(jié)構(gòu)強度；（3）選用更高強度材料。

為滿足沖擊工況的強度要求，充電柜采取了底部焊接加強筋方式增加結(jié)構(gòu)強度，經(jīng)驗證符合設(shè)計要求。

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