散熱孔不同排列方式的電池箱有限元模態(tài)分析*

解占新

(晉中學院 機械系,山西 晉中 030619)

0 引言

為保證電動汽車電池的安全性及散熱效果，通過UG軟件設計出兩種不同排列方式散熱孔的電池箱。為對比兩種排列方式散熱孔電池箱的差異，通過ANSYS對電池箱進行強度及剛度分析，在結構滿足強度及剛度要求基礎上，對不同排列方式散熱孔結構箱體進行模態(tài)分析，以避免電池箱在汽車運行過程中發(fā)生共振。

1 電池箱強度及剛度分析

1.1 電池箱建模

電池箱結構主要包括電池箱上蓋板和箱體兩部分，通過螺栓將其固定在車廂底部。由于上蓋板不受力，因此主要對箱體進行分析，散熱孔布置分為橫孔和豎孔兩種形式。電池箱箱體模型如圖1所示。

圖1 電池箱箱體模型

將模型導入ANSYS，選擇有限元分析單元類型為SOLID185[1]。電池箱材料參數(shù)如表1所示。

表1 電池箱材料參數(shù)

橫孔箱體模型經(jīng)網(wǎng)格劃分得到了52 423個節(jié)點、154 386個單元，豎孔箱體模型經(jīng)網(wǎng)格劃分得到了52 286個節(jié)點、153 646個單元。電池箱箱體有限元模型如圖2所示。

圖2 電池箱箱體有限元模型

1.2 電池箱強度及剛度有限元分析

(1)約束設置：箱體通過螺栓固定在車廂底部，對螺栓孔內(nèi)部進行固定約束。

(2)載荷設置：設置重力加速度g=-9.8 N/m2，方向沿Z軸豎直向下；電池重量m=90 kg，對電池箱底部產(chǎn)生Z軸豎直向下的均布載荷F=-882 N。

分析得到的電池箱應力及位移云圖如圖3所示。

由圖3(a)和圖3(c)可知：橫孔箱體最大應力出現(xiàn)在箱體底部，其值為3.22 MPa;豎孔箱體最大應力同樣出現(xiàn)在箱體底部，其值為3.42 MPa。兩種結構的最大應力均遠小于Q235屈服應力235 MPa[2-4]，強度足夠。

由圖3(b)和圖3(d)可知：橫孔箱體最大位移出現(xiàn)在箱體底部中心位置，最大值為0.192×10-4m；豎孔箱體最大位移同樣出現(xiàn)在箱體底部中心位置，最大值為0.189×10-4m。根據(jù)以上分析，橫孔箱體與豎孔箱體變形量非常小，剛度均可以滿足要求。

圖3 不同散熱孔形式電池箱應力及位移云圖

2 電池箱模態(tài)分析

為避免電池箱在電動車行駛過程中發(fā)生共振，對電池箱體進行自由模態(tài)分析[5,6]。模態(tài)提取方法為Block Lanczos，得到的橫孔箱體前5階固有頻率如表2所示，縱孔箱體前5階固有頻率如表3所示，橫孔箱體的前5階振型如圖4所示，縱孔箱體的前5階振型如圖5所示。

表3 豎孔箱體前5階固有頻率

根據(jù)表1及表2可以看出，豎孔電池箱固有頻率整體<橫孔電池箱固有頻率。從圖4與圖5可以看出，橫孔電池箱與豎孔電池箱振型趨勢較為一致。第1階振型：箱體側壁在Y軸方向發(fā)生振動；第2階振型：箱體側壁在X軸、Y軸發(fā)生振動；第3階振型：箱體側壁在Z方向發(fā)生振動；第4階振型：箱體側壁在X軸、Y軸發(fā)生擺動；第5階振型：箱體整體發(fā)生擺動。

圖5 豎孔電池箱前5階振型

表2 橫孔箱體前5階固有頻率

圖4 橫孔電池箱前5階振型

汽車在行駛過程中，由于路面不平整所引發(fā)的激振頻率一般在21 Hz以下[7]，所以為避免共振，電池箱體第1階固有頻率必須大于21 Hz。根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)橫孔電池箱及豎孔電池箱均滿足設計要求，但由于橫孔電池箱整體固有頻率大于豎孔電池箱固有頻率，可以更好避免振動的發(fā)生，因此應該優(yōu)選橫孔電池箱體。

3 結論

綜合以上有限元分析結果，可以得出如下結論：

(1)橫孔電池箱和豎孔電池箱的強度及剛度均滿足設計要求。

(2)整體來看，豎孔電池箱固有頻率<橫孔電池箱固有頻率，但兩種設計結構各階固有頻率對應振型振動趨勢基本一致。

(3)橫孔電池箱及豎孔電池箱第1階固有頻率均大于路面不平整所引發(fā)的振動頻率，滿足設計要求，但由于橫孔電池箱固有頻率整體大于豎孔電池箱，可以更好避免共振的發(fā)生，因此優(yōu)先選擇橫孔設計結構的電池箱體。