基于Hypermesh和ANSYS的超級電容器充電柜體的強度分析

（寧波中車新能源科技有限公司，浙江 寧波 315112）

基于Hypermesh和ANSYS的超級電容器充電柜體的強度分析

黃慶福，何嘯月，何靈

（寧波中車新能源科技有限公司，浙江 寧波 315112）

通過超級電容器充電柜體的強度分析實例，介紹了Hypermesh建模過程及簡化有限元模型，利用ANSYS軟件中的靜力學分析模塊、瞬態動力學模塊和模態分析模塊分析柜體結構強度，以傾斜、搖擺、振動和沖擊四種工況校驗柜體強度，為產品柜體設計提供指導。

超級電容器充電柜；強度分析；Hypermesh；ANSYS

超級電容是近幾年才批量生產的一種新型電力儲能器件，也稱為電化學電容。超級電容單體的容量目前已經做到萬法拉級，具有循環壽命長、功率密度大、充放電速度快、高低溫性能好、容量配置靈活、環境友好免維護等優點。超級電容儲能裝置包含有儲能柜體和電氣柜體等，充電柜體在整套系統中占據重要作用。

在進行充電柜體結構設計時，常常要求結構緊湊、質量輕，因此結構強度與壽命的評估就變得愈來愈復雜，愈來愈重要。要進行結構強度與壽命評估，經常需要參照有關的理論、方法、行業上的規范及材料的數據，而這些理論、方法、資料大多是經過大量實驗、工程實務歸納出來的。隨著現代計算機技術和有限元技術的發展，有限元技術得到了廣泛地應用， Hypermesh軟件具有強大的幾何處理能力，可以很快地讀取那些結構非常復雜，規模非常大的模型數據，大大提高了CAE分析工程師的工作效率；ANSYS具有強大的網格劃分、加載求解和后處理功能以及良好的開放性。ANSYS的幾何建模功能相對較弱。單一的Hypermesh或者ANSYS很難迅速優質地完成任務，較好地解決方案是充分利用ProE的三維建模功能，將模型數據導入ANSYS進行分析計算。本文將結合某超級電容器充電柜體的強度分析，對處理復雜模型的有限元分析進行闡述。

1 充電柜幾種工況試驗條件及要求

充電柜需校驗以下四種工況：傾斜、搖擺、振動和沖擊。

1.1 傾斜和搖擺試驗要求

依據標準要求，水面船舶傾斜與搖擺試驗值如表1所示。

表1 水面船舶傾斜與搖擺試驗量值

1.2 振動工況試驗要求

振動工況依據標準中安裝在船舶上設備的振動試驗量值，分析采用船舶部分數據，由表2可知，試驗頻率范圍為16～60Hz（表2）。

1.3 沖擊工況試驗要求

根據客戶提供的隔振器選型文件，隔振器傳遞給機柜的加速度：Z向24g，X/Y向11.2g。根據隔振器選型計算，分析時只需單獨施加某一方向的加速度。沖擊工況分析時，采用上述數據加載。

2 充電柜有限元模型建立

2.1 充電柜結構參數

充電柜重量≤830kg，機柜框架材質采用Q235，詳細尺寸如圖1所示。

2.2 仿真模型的創建

2.2.1 模型的簡化

在Hypermesh軟件中建立充電柜的有限元模型，首先結合分析目的，對充電柜幾何模型進行合理的簡化，具體包括：（1）忽略大多數的圓角；（2）忽略各處的螺栓及螺栓孔；（3）焊縫轉化為直接連接等。通過上述建模方法，模型后續處理中會更加方便、高效，而且對仿真計算結果影響不大。

表2 安裝在船舶上設備的振動試驗量值

圖1 充電柜各個部分尺寸及重量

圖2 Hypermesh中充電柜的有限元模型

2.2.2 確定材料屬性

充電柜采用Q235，材料屬性為：楊氏彈性模量210GPa、泊松比0.3。

2.2.3 充電柜有限元模型

網格的類型主要取決于結構的幾何形狀、施加的載荷及需要的計算精度。機柜大部分是型材薄板件，選用2D單元進行模擬，充電機、控制單元等設備簡化為質量點。劃分網格后的有限元模型如圖2所示。

3 傾斜工況仿真結果與分析

傾斜環境包括橫傾和縱傾。由于船舶的傾斜激發靜態力效應，考慮極限角度（22.5°）橫、縱傾斜下，基于ANSYS進行靜力學分析，來校驗結構強度和剛度是否符合要求。

根據隔振器與充電柜的接觸情況設置約束：由于傾斜極限角度是靜力學范疇，故將隔振器與充電柜的接觸面設為固定約束。傾斜工況有限元仿真結果如圖3、4所示。

圖3 橫傾工況應力/應變云圖

圖4 縱傾工況應力/應變云圖

表3 傾斜工況應力應變值

表4 縱搖工況應力應變值

由圖3、4及表3可以看出，橫傾時，應力最大集中在與最左端隔振器的接觸面上，最大值約為82.7MPa，對應的應變最大值為4.14e-4；縱傾時，應力最大集中在與第二個隔振器接觸面附近，最大值約為72MPa，對應的應變最大值為3.62e-4；其他區域應力值在30MPa左右。而Q235的屈服強度為235MPa，取安全系數為1.5，則材料許用屈服強度[σ]=σ/1.5=156.7MPa。由此可知，機柜強度、剛度都能滿足傾斜工況要求。

4 搖擺工況仿真結果與分析

搖擺環境包括橫搖和縱搖。船舶搖擺運動會激發動態效應，導致平衡的作用力失衡。因此，需校驗強度是否滿足搖擺工況要求。

根據隔振器與充電柜的接觸情況設置約束故將隔振器與充電柜的接觸面設為固定約束，并在質心施加重力加速度，方向與充電柜豎直方向夾角為45°。搖擺工況有限元仿真分析結果如圖5、6所示。

圖5 橫搖工況應力/應變云圖

圖6 縱搖工況應力/應變云圖

由圖5、6及表4可知，橫搖角度到達極限角度45°時，應力最大集中在充電機與底部梁的接觸面位置，最大值約為101.35MPa，應變最大值為5.09e-4；橫搖角度到達極限角度45°時，應力最大集中隔振器與底部梁的接觸位置，最大值約為74.66MPa，應變最大值為4.22e-4，Q235的屈服強度為235MPa，取安全系數為1.5，則許用屈服強度[σ]=σ/1.5=156.7MPa。由此可知，機柜強度、剛度均滿足搖擺工況要求。

5 振動工況分析

5.1 振動工況環境

作用在充電柜上的各種激振力會使充電柜產生復雜的振動，如果這些激振力的頻率與充電柜的某一固有頻率相同，充電柜就會產生共振。因此動態設計要求充電柜具有一定的固有頻率和振型。

由表2可知，船舶上的設備試驗頻率范圍為16～60Hz。通過ANSYS模態分析來校驗充電柜的固有頻率是否符合要求。

5.2 振動工況仿真結與分析

振動工況有限元仿真結果顯示，前6階為剛體模態。充電柜第8階～第13階模態頻率處于船舶上的設備試驗頻率范圍（16～60Hz）。充電柜固有頻率與船舶的激振頻率有可能重合。為此，需通過諧分析校驗各階頻率下充電柜的強度，剛度是否符合要求。

5.3 諧分析

充電柜受激振頻率的范圍為16～60Hz，激振加速度為10m/s2，最大位移值不超過1mm。根據ANSYS諧響應分析模塊進行分析，在各個共振頻率下，機柜上最大的應力的位置與陣型有關。整體來看，最大應力和位置都出現在第十三階模態頻率下，但其應力值為66.3MPa，小于Q235的屈服強度；位移最大為0.24mm，小于1mm，因此，振動工況下能滿足強度和剛度要求。

6 沖擊工況分析

6.1 沖擊環境及隔振器參數信息

由廠家分析給出的從隔振器（型號GS500-104-08）傳遞給充電柜的峰值加速度如表5所示。

表5 充電柜的峰值加速度要求

即最大Z向峰值加速度：24×9.8=235.2m/s2，而X/Y方向峰值加速度為：11.2×9.8=109.8m/s2。

6.2 沖擊工況仿真結果與分析

隔振器可用長方體彈性體模擬，輸入材料的等效楊氏模量、泊松比和阻尼系數。對隔振器底部施加固定約束，給充電柜施加相應的沖擊加速度。其中Z向加速度為：24×9.8=235.2m/s2，而X/Y方向加速度分別為11.2×9.8=109.8m/s2。沖擊工況應力/應變最大值如表6所示。

有限元分析結果顯示， Z向沖擊力時，應力主要集中在充電機、隔振器與底部框架梁接觸的位置，應力值普遍小于150MPa，個別區域如應力最大的梁的角邊，存在較大的應力集中，最大應力達到402MPa，超過材料的屈服強度。X/Y向沖擊力時，應力主要集中在豎直梁與上下框架梁相交處附近，如第三根豎直梁與上下框架相交的角點處，存在較大的應力集中，最大應力達到629MPa，超過材料的屈服強度。

在加強相應薄弱位置的結構后，對應的最大應力應變如表6所示。受Z向沖擊時，最大應力值為131.6MPa，對應的應變為7.32e-4。受X/Y向沖擊時，最大應力值為183.3MPa,對應的應變值為9.81e-4。應力值均小于Q235的屈服強度，應變也很小。因此，增加材料厚度后沖擊工況下滿足強度和剛度的要求。

表6 Z向和X/Y向沖擊工況應力/應變最大值

7 結語

強度分析：傾斜和搖擺工況下，機柜都能滿足要求；沖擊工況下，機柜底部結構應力較大。在局部加厚為7.5mm后，滿足強度和剛度的要求。

剛度分析：通過傾斜、搖擺和沖擊工況分析，得知機柜應變很小，滿足剛度要求。通過振動工況下的模態分析得知，機柜13階固有頻率在船舶試驗量值（16～60Hz）范圍內，各階振型的振幅值不大。

沖擊工況下，局部區域應力超出材料的許用應力值，為滿足柜體使用要求，可選擇三種方案其中之一：（1）將該部分的結構改為矩形斷面；（2）增加機柜底部結構強度；（3）選用更高強度材料。

為滿足沖擊工況的強度要求，充電柜采取了底部焊接加強筋方式增加結構強度，經驗證符合設計要求。

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