動(dòng)力電池有限元計(jì)算過程中的網(wǎng)格控制研究

萬(wàn)長(zhǎng)東 陳昱丞 裴顯卜 李洪偉

摘要：電動(dòng)汽車是未來(lái)新能源汽車發(fā)展的重要方向。動(dòng)力電池是非常重要的電動(dòng)汽車核心部件，動(dòng)力電池承受著一定的約束和載荷，要滿足足夠的強(qiáng)度和振動(dòng)特性。動(dòng)力電池采用有限元分析方法進(jìn)行模態(tài)與靜力計(jì)算，其網(wǎng)格大小設(shè)置為50 mm、15 mm、10 mm、5 mm ，結(jié)果顯示網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果有著重要影響。因此，通過對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果來(lái)控制全局網(wǎng)格尺寸，通過靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果來(lái)控制局部網(wǎng)格尺寸，結(jié)合模態(tài)結(jié)果與靜力計(jì)算結(jié)果選擇全局網(wǎng)格尺寸10 mm ，局部細(xì)化網(wǎng)格尺寸為1 mm ，這樣的網(wǎng)格劃分得到的結(jié)果與5 mm網(wǎng)格尺寸計(jì)算結(jié)果相差不大，同時(shí)該電池包結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及振動(dòng)特性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電池包;網(wǎng)格尺寸;有限元

中圖分類號(hào)：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0082-03

Study on Grid Size Control in Power Battery by Finite Element Calculation

Wan Changdong，Chen Yucheng ，Pei Xianbu，Li Hongwei

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Suzhou Vocational University， Suzhou， Jiangsu 215104，China）

Abstract： Electric vehicles are an important direction for the development of new energy vehicles in the future. Power battery is a very important core component of electric vehicle. Power battery bears certain constraints and loads and must meet sufficient strength and vibration characteristics. The finite element analysis method was used for modal and static calculation of power battery， and the grid size was set as 50 mm， 15 mm， 10 mm and 5 mm. The results show that the grid size has an important effect on the calculation results. Through the study of the free modal calculation results of power battery to control the global grid size， through static strength calculation result to control local grid size， combined with static calculation results and the modal results choosing global grid size for 10 mm， local refinement grid size for 1 mm， the meshing results， with 5 mm mesh size calculation results were similar， at the same time， the battery pack structure can meet the strength and vibration characteristics.

Key words： electric vehicle; battery pack; mesh size; finite element

0 引言

近幾年，我國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)，2019年上半年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車保有量達(dá)到了344萬(wàn)輛，動(dòng)力電池是整輛車的重要核心部件，動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)安全性非常重要，通過 CAE分析電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)是一種重要的研究方法，有限元分析中網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度和時(shí)間成本產(chǎn)生重要影響，因此對(duì)于動(dòng)力電池有限元模型而言，其合理的網(wǎng)格劃分是非常重要的。

對(duì)于動(dòng)力電池的有限元分析，目前已經(jīng)有很多人開展了研究。王瑞等[1]為了提高有限元數(shù)值計(jì)算的求解精度及建模效率，分析了移動(dòng)荷載作用下地基系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)，確定了計(jì)算域選取及網(wǎng)格劃分的基本規(guī)則;歐陽(yáng)威等[2]為了滿足電動(dòng)汽車電池包箱體高強(qiáng)度、輕量化的設(shè)計(jì)要求，提出了一種基于數(shù)值優(yōu)化與有限元仿真相結(jié)合的動(dòng)力電池包箱體輕量化設(shè)計(jì)方法;謝暉等[3]針對(duì)某款純電動(dòng)汽車的高強(qiáng)鋼電池包進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)和輕質(zhì)合金材料替換，然后采用有限元仿真分析方法檢驗(yàn)了其靜態(tài)性能;戴江梁等[4]基于隨機(jī)振動(dòng)理論與頻域疲勞分析方法，利用有限元軟件構(gòu)建動(dòng)力電池包隨機(jī)振動(dòng)疲勞失效分析模型并計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命;秦千富等[5]通過對(duì)某車型動(dòng)力電池包箱體在振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的疲勞斷裂問題進(jìn)行分析論證，建立了一種新的基于 PSD 試驗(yàn)譜下的振動(dòng)疲勞仿真分析方法;王品健等[6]運(yùn)用 CAE仿真方法對(duì)電池包中的不同結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化;岑波等[7]基于正確的有限元仿真分析可以有效地考察電池包箱體和零部件是否滿足機(jī)械性能要求;劉立邦等[8]為精確預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的動(dòng)態(tài)特性，建立某款電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的有限元模型;曾維權(quán)等[9]針對(duì)某車型動(dòng)力電池底護(hù)板的設(shè)計(jì)，提出一種基于形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，得出一個(gè)使底護(hù)板模態(tài)值最大化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案;桑林等[10]運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)動(dòng)力電池箱進(jìn)行了力學(xué)特性分析，建立了與實(shí)際結(jié)構(gòu)相似的動(dòng)力電池箱有限元模型;陶志軍等[11]利用非線性有限元軟件模擬車窗密封條亮條與本體的安裝過程，不同的網(wǎng)格處理方法對(duì)結(jié)果有著顯著影響。馮建平等[12]采用多種網(wǎng)格單元類型實(shí)現(xiàn)固定式起重機(jī)在多工況作業(yè)下具有更真實(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

1 建立合適的動(dòng)力電池有限元模型

1.1 動(dòng)力電池有限元模型前處理

1.1.1 幾何模型

動(dòng)力電池箱體由上箱體、下箱體、電池組組成，電池包幾何模型如圖1所示。首先進(jìn)行幾何清理，去除對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的細(xì)小結(jié)構(gòu)。理清部件的連接關(guān)系。動(dòng)力電池一共重180 kg ，每個(gè)電池模組的重量以質(zhì)量點(diǎn)形式加載到動(dòng)力電池箱體上。對(duì)原始動(dòng)力電池模型進(jìn)行中面提取，同時(shí)要對(duì)破面、重復(fù)面、硬點(diǎn)等幾何問題進(jìn)行修理，對(duì)直徑比較小的倒角、孔、圓角等進(jìn)行去除。

1.1.2 材料屬性

動(dòng)力電池下箱體主要結(jié)構(gòu)的材料 Q235鋼，上蓋主要采用 SMC材料，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.1.3 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量

（1） 單元類型及網(wǎng)格尺寸

動(dòng)力電池網(wǎng)格類型主要采用殼單元和體單元。上箱體與下箱體及附件均為鈑金件，并且其厚度方向的尺寸相對(duì)于它的長(zhǎng)度方向小，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而個(gè)別實(shí)體零件結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。殼單元注意采用四邊形殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了滿足高質(zhì)量網(wǎng)格的過度需要，采用少量三角形單元，只要三角形網(wǎng)格的數(shù)量不超過網(wǎng)格總數(shù)量的5%，就不會(huì)影響到后續(xù)分析和計(jì)算的精度。上下箱體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因網(wǎng)格密度會(huì)影響剛度從而影響計(jì)算結(jié)果，因?yàn)閯?dòng)力電池結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要靠下箱體承載，因此先將下箱體網(wǎng)格密度設(shè)為50mm，如能正常計(jì)算得到基本合理結(jié)果，如圖2所示，把網(wǎng)格密度設(shè)為15 mm 、10 mm進(jìn)行劃分，不同網(wǎng)格尺寸單元節(jié)點(diǎn)數(shù)如表2所示，最后選擇合適的網(wǎng)格作為進(jìn)一步有限元分析網(wǎng)格尺寸。

（2） 單元連接的處理

模擬螺栓的連接不考慮失效問題，采用剛性單元模擬，螺栓穿過不只兩層部件時(shí)，要將上下所有層的孔都選擇上。焊點(diǎn)采用剛體單元模擬，兩個(gè)焊接件實(shí)際上是節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)通過梁?jiǎn)卧B接。如果兩層焊和三層焊應(yīng)該分兩次打焊點(diǎn)。粘膠的模擬，底板和動(dòng)力電池有一層粘膠，采用六面體實(shí)體單元來(lái)模擬，使用共節(jié)點(diǎn)或綁定連接的方式將兩個(gè)連接進(jìn)行連接。對(duì)于結(jié)構(gòu)中孔的網(wǎng)格盡量采用六多邊形來(lái)劃分網(wǎng)格，而且孔外還應(yīng)該有一層六邊形網(wǎng)格。

（3） 單元質(zhì)量

網(wǎng)格的質(zhì)量影響計(jì)算結(jié)果精度和計(jì)算效率。網(wǎng)格質(zhì)量存在問題就需要調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，可采用局部重畫網(wǎng)格，局部網(wǎng)格加細(xì)，調(diào)整幾何模型邊界線等方法。本次動(dòng)力電池網(wǎng)格質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。最終得到動(dòng)力電池箱體不同網(wǎng)格尺寸的模型如圖2所示。

1.2 動(dòng)力電池靜強(qiáng)度與模態(tài)計(jì)算

1.2.1 約束與載荷

（1） 工況1。3g加速度下的靜強(qiáng)度計(jì)算。固定電池箱體的所有吊耳，給電池箱體加一個(gè)3g的加速度。在一些有限元軟件中，加速度施加的方向與地球重力方向相反。

（2） 工況2。自由模態(tài)和約束模態(tài)提取前6階模態(tài)結(jié)果。自由模態(tài)計(jì)算需要過濾掉剛體模態(tài)結(jié)果，約束模態(tài)采用約束吊耳6個(gè)自由度。

1.2.2 不同網(wǎng)格尺寸下的兩工況計(jì)算結(jié)果

由于重力作用，動(dòng)力電池具有較大重量，下箱體受壓發(fā)生變形，最大應(yīng)力主要在吊耳位置處，1 階振型主要是彎曲振動(dòng)。采用50 mm 、15 mm 、10 mm 、5 mm 不同單元尺寸的計(jì)算結(jié)果如表4所示，可以看到網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，當(dāng)單元網(wǎng)格尺寸為5mm 時(shí)，相對(duì)其他幾個(gè)單元尺寸的計(jì)算結(jié)果精度最高，其中網(wǎng)格尺寸為10 mm時(shí)，與5 mm時(shí)計(jì)算結(jié)果相差不大，但求解時(shí)間卻是10 mm網(wǎng)格尺寸的5倍。

因此選用10 mm網(wǎng)格作為模型基本尺寸的性價(jià)比顯得比較高，因?yàn)榈醵恢脩?yīng)力最大，選擇吊耳位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化為1 mm ，得到網(wǎng)格數(shù)量183239。同時(shí)注意各部件之間的接觸關(guān)系，避免因接觸關(guān)系不正確導(dǎo)致的結(jié)果異常。

1.3 優(yōu)化后網(wǎng)格的靜強(qiáng)度與模態(tài)計(jì)算結(jié)果

（1） 3g加速度下的靜力分析結(jié)果選擇前述2.2節(jié)中網(wǎng)格劃分方法，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)247699，單元數(shù)183239。對(duì)動(dòng)力電池施加3g加速度，進(jìn)行求解計(jì)算，最終得到位移發(fā)布如圖3所示，下箱體 Z 方向局部最大變形量為0.86 mm ，上箱體最大變形0.95 mm ，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的底部最大變形量小于3 mm的要求。應(yīng)力分布如圖4所示，從應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力為50.6 MPa，遠(yuǎn)低于下箱體材料的屈服極限235 MPa。

（2）模態(tài)計(jì)算結(jié)果

下箱體結(jié)構(gòu)第 1 階自由模態(tài) 64 Hz （為彎曲振型），整體箱體結(jié)構(gòu)第 1 階約束模態(tài) 36 Hz （為上箱蓋局部振動(dòng)）。自由模態(tài)與約束模態(tài)前 6 階頻率值如圖 5所示，其中下箱體自由模態(tài)第 1 階模態(tài)主要為彎曲振型，其體現(xiàn)了動(dòng)力電池的承載形態(tài)。而整個(gè)箱體的約束模態(tài)前 6 階模態(tài)主要是上箱蓋的局部振動(dòng)，主要原因是箱體相對(duì)剛度較低造成的。電動(dòng)汽車的振動(dòng)主要來(lái)自于路面，一般情況下希望 1 階頻率高于 30 Hz，動(dòng)力電池的自由模態(tài)或約束模態(tài)下結(jié)果滿足 1 階頻率值要求。如圖 6 所示。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文通過上述計(jì)算與分析，得到以下結(jié)論：有限元模型的網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響;有限元模型網(wǎng)格尺寸對(duì)網(wǎng)格數(shù)量影響極大，即影響著求解時(shí)間;模態(tài)計(jì)算結(jié)果反應(yīng)了模型整體剛度，網(wǎng)格大則剛度大，頻率高;靜力計(jì)算結(jié)果反映了局部結(jié)構(gòu)剛度，局部應(yīng)力集中位置可以加細(xì)網(wǎng)格尺寸;結(jié)合模態(tài)與靜力計(jì)算，來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格控制，可以取得良好的計(jì)算結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王瑞，胡志平，任翔，等.5D 有限元建模關(guān)鍵問題—邊界條件、網(wǎng)格劃分及計(jì)算域選取[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2021，34（1）：80-88.

[2] 歐陽(yáng)威，王麗娟，陳宗渝，等.基于響應(yīng)面法的動(dòng)力電池包箱體輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2021（2）：246-251.

[3] 謝暉，孫延，王杭燕.基于某款純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2020，27（12）：88-96.

[4] 戴江梁，熊飛，劉靜，等.基于某車型動(dòng)力電池包的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2020，42（5）：1266-1270.

[5] 秦千富，梁琴桂，周文靜.動(dòng)力電池包箱體振動(dòng)疲勞分析及優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020，45（16）：13-15.

[6] 王品健，謝暉，王杭燕.純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù)，2019（12）：29-33.

[7] 岑波，周攀峰，胡為松，等.基于有限元仿真的動(dòng)力電池包機(jī)械性能分析[J].電源技術(shù)，2020，44（8）：1173-1176.

[8] 劉立邦，周長(zhǎng)峰，張家豪.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包模態(tài)分析及優(yōu)化[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，27（4）：1-6.

[9] 曾維權(quán)，賈迎龍.基于形貌優(yōu)化的動(dòng)力電池底護(hù)板設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2019，32（4）：138-139.

[10] 桑林，葉健誠(chéng)，董晨.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱模態(tài)分析和試驗(yàn)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（22）：77-79.

[11] 陶志軍，石麗娜，杜麗偉，等.密封條產(chǎn)品有限元分析中不同網(wǎng)格處理方法對(duì)結(jié)果的影響研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2017，46（8）：132-136.

[12] 馮建平，鄭玉卿，方永蘭，等.基于Hypermesh10.0固定式起重機(jī)結(jié)構(gòu)仿真模型構(gòu)建研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014，43（11）：69-71.

第一作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)長(zhǎng)東（1978-），男，遼寧鐵嶺人，副教授，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)樾履茉雌囋O(shè)計(jì)與開發(fā)。

（編輯：刁少華）