基于ANSYS Workbench的电池架仿真分析

宋兴华　殷帅兵　王哲　谢春洋

【摘 要】本文对电池架的使用工况进行了介绍。对电池架模型进行了简化处理，基于ANSYS Workbench仿真分析软件对简化模型进行了承重工况和车载冲击工况下的仿真分析。分析结果表明：电池架的能够承受所承载电池的重量并且在车载运输过程中不会因为冲击而失效破坏，为电池架的前期设计提供了理论支撑。。

【关键词】电池架;ANSYS Workbench;仿真分析;车载运输

中图分类号： TM63 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）27-0058-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.025

0 前言

目前，国家政策越来越鼓励储能站的建设，储能站已被业界视为破解缺电难题的重要举措之一。电池架作为储能站建设必不可少的一种设备，在市场上的需求量也越来越大。电池架一般放置于储能舱内，需要长久地承受电池模块的重量。同时，在运输过程中，电池架在承受电池架重量的同时还要受到冲击。因此，在设计阶段对电池架进行承重工况和冲击工况进行研究有助于保证电池架的可靠性，能为设计人员进行结构优化提供理论参考。

孙风蔚等对通过对焊接式蓄电池支架和安装时蓄电池支架进行对比与分析，得处焊接式蓄电池支架的动刚度值相对安装式要高，蓄电池支架的悬臂设计长度对其动刚度大小有重要的影响[1]。丁丽平等对电动汽车动力电池箱托盘进行了仿真分析，确定了其强度的可靠性[2]。谭华江对纯电动汽车电池架在不同材质情况下的性能进行了对比研究，在保证性能不减的情况下使电池架重量最轻，达到电池架轻量化的目的[3]。钟杰华等设计了一种“簸箕”形状的悬挂式电池架，并对其进行了力学仿真分析，确保了其强度和刚度的合理性[4]。

但是，以上研究并没有针对储能舱电池架的研究。本文基于ANSYS Workbench仿真设计软件[5]，结合储能舱电池架实际情况，对其在承重工况和车载冲击工况进行了受力分析，为储能舱电池架的前期设计提供了理论依据。

1 电池架介绍

电池架固定安装在储能预制舱内部，底部与储能舱底座固定连接。电池架由主体骨架、通风散热模块和走线模块做成。电池架共重（包含电池模组插箱）1600kg，其中电池架自重260kg，电池模组插箱共总1340kg（电池模组插箱共20个，每个插箱重67kg），电池架模型和实物图分别如图1和图2所示。

2 仿真计算

2.1 模型简化和网格划分

模型简化是根据实际工作情况，对三维模型进行一些精简处理，包括去掉不承重部件和不相关的紧固件、去掉对整体承重影响不大的小孔、以及对折弯边处影响网格划分的区域进行的处理等，模型简化是仿真分析必不可少的步骤。通过对储能仓进行模型简化，得到如图3所示的简化模型。

网格质量直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。细化网格可以使计算结果更精确，但是会增加CPU计算时间、需要更大的存储空间。因此，网格划分时需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。网格划分结果如图4所示。

2.2 承重工况仿真分析

在电池架支腿底面添加固定约束，将插箱的等效重量添加在其实际作用的相应部位，并且施加电池架自重和简化掉零部件的重量。经过受力分析得到电池架在承重工况下的变形云图和应力云图如图5和图6所示。

从图5可以看出，电池架在静载承重工况下的最大变形量为0.36209mm，变形量很小，最大变形发生在插箱支撑矩管上。电池架框架材料为Q235，屈服极限为235MPa，这里取安全系数为1.8，可以得到许用应力σs=235/1.8=130.6MPa[6]。从图6可以看出，电池架在静载承重工况下的最大应力为56.369MPa，小于材料的许用应力130.6MPa，不会发生屈服破坏。

2.3 车载冲击工况仿真分析

在直线运输工况下，载货卡车在加速和减速过程中的最大允许加速度为a=±5m/s2。根据牛顿第二定律，运输过程中的舱体受到的冲击力

根据实际情况，电池架之间侧边对接并且沿储能舱长度方向布置（由图2可以看出）。在运输过程中，储能舱长度方向与运输车辆长度方向保持一致，因此冲击力作用方向沿电池架侧向施加。通过对电池架在车载冲击工况下仿真分析，得到其变形云图和应力云图分别如图7和8所示。

从图7可以看出，电池架在静载承重工况下的最大变形量为4.7713mm，最发变形发生在电池架上部，由于电池架在底部固定，顶部没有固定点，因此在冲击工况下越靠近上部变形量越大。从图8可以看出，当把云图中红色区域的最低值调整为130MPa时，图中没有明显红色区域出现，说明在车载冲击工况下电池架存在应力集中现象产生了局部较大应力，但是电池架整体的应力在130MPa以下，小于材料的许用应力130.6MPa，不会发生屈服破坏。

3 结论

本文對电池架的结构特点和实际工况进行了介绍，对电池架模型进行了简化处理并对简化模型进行了网格的划分。结合ANSYS Workbench仿真分析软件，根据电池架实际工作情况，对电池架简化模型分别在承重工况和车载冲击工况下进行了仿真分析。结果表明：电池架在承重工况下变形较小，最大应力小于许用应力，不会发生屈服破坏;在车载冲击工况下，由于电池架顶部没有进行有效固定，因此越靠近上部变形量越大，但最大变形量较小，并且整体应力小于材料许用应力，不会发生屈服破坏。

【参考文献】

[1]孙风蔚，徐昊，陈杰龙，等.不同很车型蓄电池支架结构设计分析[J].《农业装备与车辆工程》，2012，50（8）：52-54+74.

[2]丁丽平，韩付申，娄连英.电动汽车动力电池箱托架仿真分析[J].CAD/CAM与制造业信息化，2011（12）：64-66.

[3]谭华江.某纯电动汽车电池架多材料结构轻量化研究[D].湖南科技大学，2017.

[4]钟杰华，卢琦，李晶.某飞行器电池支架结构设计及强度分析[J].机械工程师，2017（07）：31-33.

[5]黄志新.ANSYS Workbench 16.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[6]聂毓琴，孟广伟.材料力学（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2009.