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Abaqus在动力电池包冲击分析中的应用
张醒国
中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春130011
摘要:本文利用Abaqus软件对动力电池包冲击试验工况进行有限元模拟仿真。通过
Abaqus/Explicit与Abaqus/Standard之间的转换计算,实现试验工况的精准模拟,并消除多
次冲击之间的相互影响。
关键词:Abaqus有限元冲击分析等效塑性应变
1.前言
近年来,随着环保要求日益提高,世界各国的排放标准日益严格,新能源汽车尤其是
电动车市场前景大好,各大主机厂与造车新势力纷纷投入大量资本与精力。动力电池,作为汽车能量的提供者,也成为汽车的新的“油箱”。
由于续航里程与电池充放电特性的要求,当前动力电池往往采用锂电池模组串并联组
成。而续航里程的高要求势必导致在当前电芯的技术条件下的动力电池包体积越来越大。
所以大体积的动力电池包就脱离了发动机舱的保护,往往被固定在汽车驾驶舱与成员舱的
下方。这样,电池包的结构安全性能就成为生产厂家与车主关注的重点之一。
电池包造价高昂,所以在开发阶段采用有限元手段部分代替试验,进行结构强度验证
就至关重要,并且能够节约大量的开发时间与开发成本。在众多有限元软件中,Abaqus以丰富的单元种类、较多的材料模型、大量的接触与连接类型、强大的非线性求解能力和较强的上下游分析软件兼容性等优点被更多CAE工程师采用。
本文以某型动力电池包为例,采用Abaqus/Explicit与Abaqus/Standard对冲击工况进行
模拟。
2.锂电池包机械冲击试验标准简介
机械冲击是指机械系统或其中的一部分受到突然、急剧、非周期性的激励时,发生的
时间甚至快于系统固有振动周期的状态的骤然变化。动力电池包进行机械冲击试验主要目的是为了校核车辆在突然加减速,或车轮掠过凹坑或石块的工况时动力电池包的结构强
度,也能反映动力电池包的结构刚度与应力集中位置。
国家标准GB/T31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》对机械冲击的要求如下:
1)测试对象为锂离子电池包或系统。
2)对测试对象施加25g、15ms的半正弦冲击波形,z轴方向冲击3次。
2019SIMULIA中国区用户大会1
3)相邻两次冲击的间隔时间以两次冲击在试验样品上造成的响应不发生相互影响为
准,一般应不小于5倍冲击脉冲持续时间。
4)试验结束后,应在试验环境温度下观察2h。
3.有限元模型建立与边界条件确定
3.1有限元模型
动力电池包冲击工况计算的有限元模型主要包括动力电池包下箱体、上箱体、电池模
组等,如图1。模型主要采用壳单元与实体单元建立,下箱体的关键位置需要细化,选取尺寸较小、形状规则的单元,同时要求严格控制三角形单元数量与位置,以保证求解精度。有限元模型的单元类型选取与规模见表1所示。
表1.各零部件单元类型与节点数量
零部件名称单元类型节点数量动力电池下箱体S4/S3376525
上箱体C3D4244341
模组等C3D8I或S4/S3152288
同时需要注意的是,由于机械冲击采用Abaqus/Explicit求解器进行动力学计算,所以根据求解器特点,进行如下模型设置。
1)接触区域进行简化,均采用TIE连接;
2)螺栓采用刚性单元简化;
3)不关注的零部件在用质量点进行代替。
模组
上箱体
BMS组件
下箱体
图1.有限元模型剖切视图
3.2材料非线性
等效塑性应变是用来确定材料经强化后屈服面的位置的物理量,是评价动力电池包冲击工况的重要依据。所以在进行机械冲击分析时,必须采用材料非线性,也就是必须定义
具有非线性的应力应变关系的材料属性。Abaqus软件支持用户使用*PLASTIC选项定义金
属材料的塑性性能。如图2所示。
22019SIMULIA中国区用户大会
图2.某金属材料应力应变曲线
3.3边界条件建立
本次有限元分析在动力电池包的安装点位置施加加速度波形,同时约束其他方向自由
度。
4.单次冲击分析与计算结果
按照国标规定,施加Z向冲击载荷,得到的单次计算结果如图3~图4所示。
图3.单次冲击下箱体Mises应力计算结果
2019SIMULIA中国区用户大会3
图4.单次冲击下箱体等效塑性应变计算结果
根据计算结果可知,动力电池下箱体在单次冲击载荷下局部位置达到材料的塑性区
域,发生塑性变形。最大的等效塑性应变位置主要发生在焊点周围。
5.多次冲击分析与计算结果
国家标准规定机械冲击试验单方向要进行3次,所以为保证有限元模拟与实际
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