軟包鋰電池分檔機機架的有限元分析

嚴?？?，林光春，陳世超，徐炳輝

軟包鋰電池分檔機機架的有限元分析

嚴海科，林光春，陳世超，徐炳輝

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

機架是軟包鋰電池分檔機的重要支撐部分，為了研究其在工作狀態(tài)下的特性，掌握其應力應變等情況，明確機架在工作受力后的薄弱部位再進行優(yōu)化。首先，根據(jù)分檔機的工作狀況分析機架的工作特性，確定機架的結(jié)構(gòu)參數(shù)；其次，運用三維建模軟件SolidWorks建立整個分檔機的三維模型，再導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，對建立的三維模型進行靜力學分析與模態(tài)分析；再次，求解出機架的總變形云圖、等效應力應變云圖以及機架的前6階模態(tài)振型與頻率；最后，運用SolidWorks Simulation有限元分析軟件對焊接后機架進行強度應力分析，與理論計算出來的許用應力進行比較，判斷焊接處是否符合焊接工藝設計要求。

分檔機機架；ANSYS Workbench；SolidWorks Simulation；焊接應力

近年來，隨著新能源汽車行業(yè)的迅速崛起，作為新能源汽車核心部件的動力鋰電池也隨之迎來蓬勃發(fā)展。鋰電池的下游應用市場可分為三大板塊，分別是消費類電子產(chǎn)品（電腦、手機、移動充電電源等）、工業(yè)&儲能（電網(wǎng)儲能、移動通信基站電源及家庭儲能等）以及電動交通工具（新能源公交車、新能源汽車等）。

如今，國內(nèi)外鋰電池產(chǎn)業(yè)基本是集中在中國、韓國以及日本。國內(nèi)的部分動力電池產(chǎn)業(yè)鏈知名企業(yè)有：比亞迪（從原材料到電池、電機、電控再到整車，形成產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)模式）、CATL（從原材料到電池組再到回收應用以及鋰電池檢測設備領(lǐng)域都有所涉足）、國軒高科（涵蓋了磷酸鐵鋰正極材料、電芯生產(chǎn)、BMS以及PACK等環(huán)節(jié)）。而在國外鋰電池市場，則仍是LG化學、三星SDI以及松下的天下，它們的市場占有率高達76%。其中，日本在鋰電池的研究發(fā)明方面一直處于世界領(lǐng)先地位，在2000年之前，日本在全球的市場份額達到95%。而韓國很注重在大型充電電池市場的占有。歐美一些國家采用跨越式的發(fā)展方法，靠自己的設備來生產(chǎn)裝備鋰電池。如Duracell、Polystor、美國Moli能源公司等等。無論是在電池的穩(wěn)定性、循環(huán)壽命以及電池的一致性上面較國內(nèi)有很大優(yōu)勢，同時對下游產(chǎn)業(yè)鏈的吸引力也較大。

軟包鋰電池分檔機是根據(jù)上一流程測得的軟包電池相關(guān)數(shù)據(jù)而進行的自動化篩選裝置?，F(xiàn)在仍然存在一些企業(yè)用人工進行遴選電池的優(yōu)劣好壞，不僅生產(chǎn)成本高而且效率低下，同時工人的勞動強度高。為此，需要設計一款自動分檔機，以降低生產(chǎn)成本、提高效率并降低工人的勞動強度。

機架是整軟包電池分檔系統(tǒng)最主要的承載部件，在整個分檔系統(tǒng)運動的情況下，機架將會受到動載荷的影響而發(fā)生輕微晃動或變形，進而會影響抓取機構(gòu)對軟包電池的精確定位與抓取，嚴重則可能會導致整個分檔的失敗。因此很有必要利用有限元分析軟件ANSYS對分檔機架進行靜力學分析與模態(tài)分析，通過分析可以得出機架在受力后的總應變應力等情況，從而知道其不足之處再加以優(yōu)化。

1 軟包電池分檔系統(tǒng)整體設計方案

軟包電池分檔系統(tǒng)主要由一個分檔機線體總裝、兩個分檔機及一個電控柜體等部分組成。

分檔機線體總裝是指在電池分選全程裝載在托盤上的電池所要運動的路徑以及流程的自動化線體。分檔機的作用是實現(xiàn)電池的三維空間移動、抓取以及存放等動作。電控柜體的作用是控制整個分檔系統(tǒng)的運動及流程。

此分檔系統(tǒng)的運動原理是，在完成上一測試工位后的電池，以托盤作為電池載體，當滿托盤來料時，定位后，運用線性模組組成的機械手進行抓取來料的軟包電芯，根據(jù)前工序測得的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分檔，化成管理控制系統(tǒng)能夠自動根據(jù)分選標準進行分選，并自動上傳分選信息。當某一檔位裝滿時，自動流出，隨之而來的是被滿盤分檔出來的空托盤自動填位，實現(xiàn)滿托盤進滿托盤出。

在整個軟包電池分檔系統(tǒng)中最主要的承載部件是分檔機的機架，故而很有必要對其進行有限元分析。分檔機是由機架模塊、抓取模塊、運動模組模塊等組成，如圖1所示。

2 機架靜力學分析

2.1 建立有限元機架模型

機架主要是由材料為Q235A的方管焊接組成，構(gòu)成該焊接機架的整體長寬高為2980 mm×2960 mm×1030 mm。利用SolidWorks進行幾何建模，然后通過軟件自動接口程序來完成對幾何數(shù)據(jù)的自動導入，導入到ANSYS中。由于鋁型材是標準件以及為了分析簡便，去除鋁型材之間的一些連接件以及地腳之間的連接，為彌補誤差，在后續(xù)進行有限元分析機架時設定方管之間連接方式為Bonded的接觸類型。導入后的有限元機架模型如圖2所示。

2.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格的疏密程度直接影響到計算結(jié)果的精度與正確性，所以必須選擇合理的網(wǎng)格類型以及網(wǎng)格劃分方法。經(jīng)過幾次反復試驗的網(wǎng)格劃分，發(fā)現(xiàn)對機架進行網(wǎng)格劃分的結(jié)果并沒有隨著網(wǎng)格的加密而改變很大，即當網(wǎng)格細化后，解沒有明顯的改變。而這一結(jié)果沒有多大改變的初始劃分方法是Automatic（自動網(wǎng)格劃分），在Sizing中也沒有使用高級網(wǎng)格劃分方式，此時對應的Relevance Center（相關(guān)性中心）為Coarse模式，Element Size（單元尺寸）設置為默認。由于這是用于結(jié)構(gòu)的計算，Smoothing（平滑度）設置為Low。由于該材料是Q235碳素鋼，對應的材料參數(shù)如表1所示。經(jīng)過對分檔機機架的網(wǎng)格劃分之后，該有限元機架模型中包含了128667個節(jié)點數(shù)和57715個單元數(shù)。該機架網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

1.抓取模塊 2.運動模組模塊 3.檔位模塊 4.機架模塊 5.電控模塊

圖2 有限元機架模型

表1 材料力學參數(shù)

圖3 機架網(wǎng)格劃分

2.3 施加載荷與約束

對機架施加載荷與約束是有限元靜力學分析基礎(chǔ)的一步，也是最關(guān)鍵的一步。該分檔機機架施加的載荷與約束為：

（1）施加載荷：如表2所示，施加的載荷為機架在各個層面上的部件的重量，且其重力是均勻分布在方管的各個面上，所以在Loads里面設置為Pressure。在最上面的第一層方管上所承受重量為1＝907.9 N，接觸面積為1＝693600 mm2，可得1＝1308.97 Pa；而下方第二層方管上均勻所承受的重量為2＝483.16 N，其接觸面積為2＝298080 mm2，可得2＝1620.9 Pa。兩層重量的方向均是指向軸向下。

表2 機架上各部分質(zhì)量

（2）位移約束：對焊接機架的底座，即方通上各個底部接觸面，設置為Fixed Support將其固定約束。施加的載荷與位移約束的分檔機機架有限元模型如圖4所示。

2.4 靜力學結(jié)構(gòu)分析

通過求解可以得到圖5～圖7。

圖4 施加載荷與約束的機架有限元模型

圖5 總變形分布云圖

圖6 機架等效應變圖

圖7 機架等效應力圖

對機架進行靜力學有限元分析可知，機架受力最大的位置是在上層側(cè)邊方管的中間處，其最大的總變形為0.04034 mm，最大應力為2.6733 MPa＜[]＝235 MPa（Q235A的屈服強度）。由此可知，此分檔機的機架結(jié)構(gòu)可以滿足強度設計要求。

3 機架模態(tài)分析

模態(tài)分析是計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動力學分析，也是其他動力學的基礎(chǔ)。模態(tài)分析可以幫助設計人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而使結(jié)構(gòu)設計避免共振，且有助于在結(jié)構(gòu)動態(tài)響應與其他動力特性分析中估算求解控制參數(shù)。并指導工程師預測在不同載荷作用下結(jié)構(gòu)的振動形式。由于低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性影響較大，所以選擇前6階的模態(tài)頻率與主要振型進行研究，分析結(jié)果如圖8以及表3所示。

表3 機架的前六階模態(tài)頻率

由圖8與表3可知，分檔機的機架模態(tài)頻率分布在17～31 Hz之間，并伴隨著振型階數(shù)的增加而增加。其中4階、5階振型時，上層方管受影響最大。而上層電機的轉(zhuǎn)速為960 r/min，級數(shù)為6，根據(jù)公式＝/60可得，＝96 Hz。由此可得，前6階模態(tài)頻率與電機運動時的頻率相差較大，故而不會發(fā)生共振。

綜上所述，采用ANSYS Workbench軟件對分檔機機架的靜力學分析與模態(tài)分析的結(jié)果可信，該機架的設計滿足生產(chǎn)使用要求。

4 焊縫強度校核

校核焊縫強度的目的是校驗焊縫的設計以及焊縫工藝設計是否滿足構(gòu)件使用要求。如果焊縫所受的應力大于許用應力，則焊縫不能滿足使用要求，需要改進焊縫工藝以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)以達到焊縫使用強度要求。

4.1 焊接處有限元分析

由于整個機架每處的焊接工藝、焊接材料相同，故取焊接部分作為有限元分析對象，分析在焊接處應力的變化、焊接強度，再與此處計算出來的許用應力對比，判斷是否符合焊接工藝設計要求。

這里運用了SolidWorks Simulation軟件對兩個方管焊接處進行強度分析，如圖9所示。每處焊接部分的焊縫大小為5 mm，焊縫長度為每個方管的寬度為80 mm（針對寬度為40 mm的方管其焊接寬度為40 mm）。對這局部焊接結(jié)構(gòu)材料、彈性模量、泊松比、密度、屈服強度等參數(shù)進行設定，經(jīng)過分析之后，得到圖10。此焊接處的應力最小值為1.706 MPa，應力最大值為8.752 MPa，其余焊接各處的應力值介于兩者之間。

圖8 機架各階模態(tài)

4.2 許用應力計算

根據(jù)機械設計手冊計算過程可知：

確定安全系數(shù)：對于一般質(zhì)量的材料，通常在確定工作載荷與環(huán)境條件下的構(gòu)件?。?～2.5，這里取2.5。

圖9 焊縫情況

圖10 焊縫處應力分布圖

4.3 強度校驗

由上述分析可得焊縫工藝與構(gòu)件設計能夠滿足使用設計要求。但此次分析校驗過程沒有考慮殘余應力與其他缺陷等因素的影響，所以構(gòu)件在使用前應當進行一些消除殘余應力的特殊處理以減少載荷集中，并使焊接表面光滑，沒有焊接缺陷。

5 結(jié)論

運用ANSYS Workbench 軟件對分檔機的機架進行靜力學分析與模態(tài)分析，可以得出：

（1）對分檔機機架進行有限元靜力學分析，機架最大的受力位置在上層側(cè)邊方管中間處，其最大受力為2.6733 MPa＜[]＝235 MPa，滿足分檔機機架的強度要求。

（2）由模態(tài)分析可以得出分檔機機架前6階模態(tài)的固有頻率以及各階振型，其模態(tài)頻率的范圍為17～31 Hz，而已知電機的頻率為96 Hz，因此可以得出該分檔機的機架不會發(fā)生共振，滿足生產(chǎn)使用要求。

（3）經(jīng)有限元分析與計算比較得知，此機架的焊縫工藝能夠滿足使用設計要求。

此研究結(jié)果為整個軟包電池分檔機的后續(xù)優(yōu)化及設計提供了參考。

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Finite Element Analysis of the Frame of Soft Pack Lithium Battery Sorting Machine

YAN Haike，LIN Guangchun，CHEN Shichao，XU Binghui

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

The frame is an important supporting part of the soft pack lithium battery sorting machine. In this paper, the characteristics of the frame under working conditions is studied to make clear of the stress and strain and other responses to the stress, and find out the weak part of the frameunder the stress. First, according to the working condition of the sorting machine, the working characteristics of the frame are analyzed, and the structural parameters of the frame are determined. Then, the 3D model of the entire sorting machine is built by the 3D modeling software SolidWorks, and then imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench to perform static analysis and modal analysis on the 3D model established. Next, the total deformation nephogram, the equivalent stress–strain nephogram and the mode shape and frequency of the first 6 modes of the frame are solved. Finally, simulation finite element analysis software SolidWorks is used to analyze the strength stress of the frame after welding, and compare it with the theoretically calculated allowable stress to determine whether the welding meets the welding process design requirements.

sorting machine frame；ANSYS Workbench；SolidWorks Simulation；welding stress

TH122；U473.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.010

1006－0316 (2020) 03－0057－06

2019－11－05

嚴?？疲?991－），男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向為機構(gòu)學與機器人學；林光春（1964－），男，四川成都人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為機構(gòu)學與機器人學。