基于ANSYS的熱電池組合結構有限元動態分析

武艷波， 許江文， 任麗娟

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.陜西航空職業技術學院，陜西漢中723102)

基于ANSYS的熱電池組合結構有限元動態分析

武艷波1， 許江文1， 任麗娟2

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.陜西航空職業技術學院，陜西漢中723102)

隨著熱電池結構技術的發展，熱電池組合結構在承受振動、沖擊等力學環境中，所表現出的力學動態特性對熱電池組合結構的設計具有重要的指導價值。熱電池組合結構本身具有一定的剛性和固有頻率，這些特性均是熱電池組合結構動態設計中的重要參數。為了避免外力頻率和固有頻率相同而發生共振，采用ANSYS workbench12.0建立了熱電池組合結構的有限元模型，并基于該模型，對熱電池組合結構進行了靜態強度分析以及模擬力學環境中的結構動態特性分析。

熱電池；組合結構；有限元

隨著計算機技術和有限元技術的飛速發展，產品的計算機仿真技術在各個領域得到了廣泛的應用，有限元法是設計分析復雜結構最有效的手段，有限元法和CAD技術是國內外廣泛采用的現代設計理論方法，是提高產品設計質量、降低成本、縮短設計周期和提高工作效率，減少設計盲目性的有力工具，更是企業提高應變能力、參與竟爭的必要手段。

熱電池主要用于導彈、火箭等現代武器。現代武器的快速發展對熱電池提出了更新、更高的要求，單元熱電池已經逐漸無法滿足長壽命、大功率的要求，隨著熱電池研究的不斷深化，熱電池組將是熱電池技術發展的主要方向，組合結構是熱電池組設計的關鍵技術之一。

振動、沖擊等力學環境是機械結構常遇到的問題，會造成結構疲勞而導致破壞。熱電池組合結構力學傳遞的動態特性決定其使用過程中承受振動、沖擊等力學環境的能力，必須通過結構優化設計避免或降低力學環境對關鍵元件、承力薄弱部分等的影響；不合理的結構設計不僅影響整個產品結構的穩定性，而且會直接影響熱電池的電性能。結構本身具有某種程度的剛度，其固有頻率及模態是結構受動態載荷結構設計中的重要參數，避免外力頻率和結構固有頻率相同，以防止發生共振[1]。

本文基于有限元理論，以有限元分析軟件ANSYS為平臺，對熱電池組結構進行有限元動態分析，將先進的設計分析應用于結構設計中，為設計經濟、可靠、穩定和高性能的熱電池組提供了有效的手段。

1 結構分析的有限元法

機械和結構中的振動有些對我們有利，有些對我們有害，因此，必須對振動體本身的振動特性以及它對外激勵力的響應有明確的認識。振動要解決的問題主要有兩個方面：一是尋求結構的固有頻率和主振型；二是分析結構的動力響應特性。結構的固有頻率和主振型只與結構的剛度特性和質量分布有關，因此，可用自由振動微分方程來分析它們[2]：

各節點的動位移隨時間的變化為：

消去sin(ω+α)，得：

在數學中，這是廣義特征值問題。若結構發生自由振動，它應當有非零解，有：

式(4)是關于ω2的高次代數方程，通常叫做多自由度體系自由振動頻率方程，它求解的特征值和特征向量分別對應結構振動的固有頻率和振型，它的次數等于結構的自由度數。

2 熱電池組結構分析

2.1 熱電池組結構設計

電池組外形尺寸(不含連接器)為312 mm×155 mm×78 mm。電池組由4只Φ70 mm×144 mm單元電池組成，用上、下固定板固定單元電池，用拉桿、支撐桿拉緊單元電池。熱電池組質量約6.5 kg，用Pro/ENGINEER對熱電池組進行三維建模，如圖1所示。

圖1 電池組三維模型

熱電池組中除單元電池外其余結構件均使用牌號為2A12的鋁合金材料。常溫下，這些材料的性能參數如表1所示。

表1 材料性能參數

2.2 有限元模型

采用ANSYS workbench12.0對熱電池組進行有限元分析，將單體電池簡化成質量單元，拉桿簡化成梁單元，螺栓連接處簡化成梁單元和剛性單元，采用實體單元對整個組合結構進行網格劃分，有限元模型中節點總數為110 142；單元總數為51 805，有限元模型如圖2所示。

圖2 電池組結構有限元模型

2.3 靜力學分析

2.3.1 邊界條件

(1)載荷

對整個模型分別施加X、Y、Z三個方向加速度值為27 g，時間為1 min的載荷。

(2)約束

根據熱電池組的實際工作情況，約束熱電池組安裝腳內安裝孔的所有徑向位移、水平位移及扭轉。

2.3.2 靜力學計算結果

熱電池組相當于第四強度理論校核的Von Mises最大應力值為14.357 MPa，小于屈服強度274 MPa，分布如圖6紅色區域所示，在熱電池組工作的方向上，位置位于電池組安裝腳上。最大位移為0.008 051 mm，變形也相當小。從靜力學分析可以看出，結構滿足剛強度要求。靜強度分析計算結果見表2，方向仿真結果如圖3、4。

表2 靜強度分析計算結果

圖3 方向整體位移變形云圖

圖4 方向結構應力云圖

2.4 模態分析

模態分析一般是用于確定設計中的結構或機器部件的振動特性。它也是其他更詳細動力學分析的起點。通過模態分析可以確定結構部件的固有頻率和振型。對于在動力加載條件下的結構設計而言，模態分析是非常重要的參數。

本結構的模態分析采用模態迭加法，對熱電池組進行前6階模態計算，如表3所示。并列出前三階模態振型，如圖5～7所示。

表3 熱電池組的前6階頻率

2.5 隨機振動分析

機械振動的動載荷增大，有害的振動會降低熱電池組的工作性能和產品質量，過大的動載荷會造成熱電池組的破壞。熱電池組的隨機振動歷來比較嚴酷，因此對熱電池組進行了有限元分析。隨機振動的輸入載荷按表4中的條件施加，然后進行分析。

圖5 第1階模態振型

圖6 第2階模態振型

圖7 第3階模態振型

表4 隨機振動實驗條件

熱電池組承受振動時的最大應力值為57.84 MPa，小于屈服強度274 MPa，分布如圖18紅色區域所示，在熱電池組工作的方向上，位置位于電池組安裝腳上。最大位移為0.038 675 mm，變形也相當小。仿真計算結果如圖8～13和表5。

表5 隨機振動分析計算結果

圖8 方向整體位移變形云圖

3 結論

通過對電池組仿真計算可以看出，熱電池組的基頻為1 132.5 Hz，表明結構的力學傳遞特性較好。靜強度分析可以看出，結構上的最大應力小于材料的屈服強度，靜強度滿足要求；結構動態仿真計算結果分析可以看出，該結構設計在承受實際力學環境時，由于結構力學傳遞特性的影響，在某些部位承受的力學量級出現一定放大，但均在設計裕度內。

圖9 方向結構應力云圖

圖10 方向整體位移變形云圖

圖11 方向結構應力云圖

圖12 方向整體位移變形云圖

圖13 方向結構應力云圖

[1]趙經文，王宏鈺．結構有限元分析[M]．北京：科學出版社，2001：27-38.

[2]李景湧.有限元法[M].北京：北京郵電大學出版社，2002：14-19.

Research of dynamic analysis of thermal battery structure with finite element method based on ANSYS

With the development of thermal batteries structure technology,the dynamic characteristic presenting under the mechanical environment of vibrates and impact,had an important guideline value for designing the combination structure of thermal battery.The combination structure of thermal battery in itself had a certain degree of rigid and natural frequency,which were the important design parameter for dynamic loading.To avoid the resonance as foreign frequency was close to natural frequency,a finite element model of thermal battery combination structure by ANSYS workbench12.0 was built. Based on the model, the static strength and dynamic characteristic under a simulation mechanical environment were studied.

thermal battery;combination structure;finite element method

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2150-03

2015-03-19

武艷波(1982—)，女，山西省人，工程師，主要研究方向為熱電池。