基于ANSYS Workbench電池箱模態分析和對比

吳建軍 王奕 曹旭東 劉明珠 王飛飛

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722120

摘要：模態分析是所有動力學分析的基礎，是后期對該電池箱進行振動分析的保證。本文基于ANSYS Workbench軟件，利用三種不同的思路對電池箱進行模態仿真計算。通過結果分析，得出電池箱是否施加重力對其固有頻率的影響很小，但其是否施加質量點影響卻非常大。驗證了ANSYS Workbench軟件在計算模態時是默認添加重力的，同時也進一步的驗證了預應力對結構模態是有影響的。

關鍵詞：電池箱；ANSYS Workbench；模態分析；預應力

模態分析是所有動力學分析的基礎，是確定結構的固有頻率和對應頻率的振型。對電池箱進行模態分析是對后續進行的振動分析的前提工作和作為其他動力學分析的參考。本文對本公司某型號專用車的電池箱進行模態分析，針對計算結果判斷是否符合設計要求，同時對是否施加預應力對結果的影響進行了對比。

1 模態分析的基本概念

模態分析是為了獲取結構比較敏感的頻率區間，據此來預知電池箱結構在此頻率區間范圍內，與系統其他的結構是否發生共振，進而驗證所設計的結構是否合理。電動汽車在行駛過程中會發生振動，電池包也會隨著振動，因此要避免電池包與車身產生共振，就要計算分析電池包的模態，分析各個振源下的振動響應特性。ANSYS Workbench可進行一般結構的模態分析、有應力模態分析、大變形有應力模態分析、循環對稱結構的模態分析、有應力循環對稱結構的模態分析、無阻尼和有阻尼結構的模態分析。本文主要對電池箱進行一般結構和有應力的模態分析[1]。

模態分析實際上就是解自振動結構的平衡方程，求特征值。具體的方程式如下：

式中，K為結構剛度矩陣；M為質量矩陣；λ是特征值矩陣。一般結構模態分析是不考慮阻尼效應。求解特征值問題可以得到n個特征值λi（n是自由度），向量X是與特征值對應的特征向量，這些特征值向量構成一個線性空間的一組正交基，一個有限元模型的任意變形都可以由這組基的線性疊加來表達[2]。

1.1 有限元模型的建立

利用同事的solidworks三維模型，導入到SCDM中進行前處理，刪除不必要的倒角和小孔，并對所有的模型進行抽中面處理，因不考慮電池模組的變形情況，所以采用兩個質量點對其替代，每個質量點的質量為100kg。有限元模型如圖1。

1.2 添加材料并劃分網格

電池箱的材料選擇Q235B，根據材料供應商提供的數據得到表1的材料屬性。

插入size控制，在Element Size中填寫6mm，在detail of mesh的總體設置中，relevance center選擇Medium，span angle center選擇Medium，網格劃分方法選擇Quadrilateral Dominant，其余默認。最終得到單元數73945個，節點數為76540，網格質量為0.9563，縱橫比為1.066。劃分網格后的模型如圖2。

1.3 設置接觸

在模態分析中，不考慮任何的非線性行為，如用戶自己定義了非線性行為，如接觸非線性等，程序也會將其以初始剛度狀態當作非線性行為進行計算。因此，所有的接觸類型選擇Bounded，formulation選擇MPC，其余的設置選擇默認。設置接觸后的有限元模型如圖3。

1.4 邊界條件和施加載荷

1.4.1 加質量點和重力

該載荷條件是根據電池箱的實際情況施加的，電池箱的兩個框內各有100kg的電池模組，在4個吊耳處加固定約束，添加重力加速度，如圖4所示。

1.4.2 加質量點不加重力和不加質量點

加質量點不加重力和不加質量點兩種對比方式都是只在吊耳處加固定約束，區別只是在箱體內有無質量點，如圖5和圖6所示。

1.5 結果分析

經過計算得到在三種不同加載情況下的前六階的頻率和對應的振型：

1.5.1 加質量點和重力

該邊界條件下的計算得到的箱體頻率如表2和頻率對應的振型如圖7。

1.5.2 只加質量點

該邊界條件下的計算得到的箱體頻率如表3和頻率對應的振型如圖8。

1.5.3 不加質量點

該邊界條件下的計算得到的箱體頻率如表4和頻率對應的振型如圖9。

由分析結果可得，加質量點和重力與只加質量點兩種不同的施加條件下，計算得到的前六階頻率誤差非常小，對應的振型也幾乎一樣。因此可以得出，在ANSYS Workbench中，對模型進行模態分析時，是否施加重力對最后的計算結果影響不大。對比是否加質量點的兩種施加條件，由計算結果可得，加質量點的第一階模態對應的頻率為30.16Hz，而不加質量點第一階模態對應的頻率為56.589Hz，在添加質量點之后會使結構的頻率降低，從而發生共振的幾率會更大。因此在后期試驗中，只需驗證箱體裝滿電池模組時的模態。

由相關資料可得，汽車在各種路段行駛，受到的最大激勵不會超過27Hz，可見電池箱的頻率與其非常接近，但是觀察第一階和第二階振型，其最大的變形量為0.62mm和0.92mm，其變形量在設計要求范圍之內，可以認為是安全的。因此可認為該電池箱結構是設計合理的。

2 結論

本文基于ANSYS Workbench軟件，利用三種不同的思路對電池箱進行模態仿真計算。得出：（1）電池箱是否施加重力對其固有頻率的影響很小，但是其是否施加質量點影響卻非常大。驗證了ANSYS Workbench軟件在計算模態時是默認添加重力的，同時也進一步的驗證了預應力對結構模態是有影響的。（2）雖然該電池箱在施加質量點之后的第一階固有頻率為30.16Hz，非常接近汽車受到的最大激勵的頻率，但是其對應的振型中最大的變形量只有0.62mm，該變形量在設計設計要求范圍之內，因此可認為該結構是符合設計要求的。（3）模態分析是動力學的基礎，是后期對該電池箱進行振動分析的保證。但是在實際生產加工和裝配過程中，存在著很多人為因素等其他原因，因此需要通過進一步的試驗來驗證仿真結果的準確性。

參考文獻：

[1]王新敏.ANSYS結構動力分析與應用[M].北京：人民交通出版社，2014.4.

[2]王芳，夏軍，等.電動汽車動力電池系統安全分析與設計[M].北京：科學出版社，2016.9.

[3]劉笑天，蔣超奇，江丙云，等.ANSYS Workbench有限元分析工程實例詳解[M].北京：中國鐵道出版社，2017.10.

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[5]周矩，蘇金英.ANSYS Workbench有限元分析實例詳解（靜力學） [M].北京：人民郵電出版社，2017.3.

[HTH]作者介紹：[HT][HTK]吳建軍（1991），男，漢族，江蘇鹽城人，碩士，當前職務：CAE工程師。[HT]