軟包鋰電池分檔機(jī)機(jī)架的有限元分析

嚴(yán)海科，林光春，陳世超，徐炳輝

軟包鋰電池分檔機(jī)機(jī)架的有限元分析

嚴(yán)?？疲止獯?，陳世超，徐炳輝

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

機(jī)架是軟包鋰電池分檔機(jī)的重要支撐部分，為了研究其在工作狀態(tài)下的特性，掌握其應(yīng)力應(yīng)變等情況，明確機(jī)架在工作受力后的薄弱部位再進(jìn)行優(yōu)化。首先，根據(jù)分檔機(jī)的工作狀況分析機(jī)架的工作特性，確定機(jī)架的結(jié)構(gòu)參數(shù)；其次，運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks建立整個(gè)分檔機(jī)的三維模型，再導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，對(duì)建立的三維模型進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析；再次，求解出機(jī)架的總變形云圖、等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D以及機(jī)架的前6階模態(tài)振型與頻率；最后，運(yùn)用SolidWorks Simulation有限元分析軟件對(duì)焊接后機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力分析，與理論計(jì)算出來的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，判斷焊接處是否符合焊接工藝設(shè)計(jì)要求。

分檔機(jī)機(jī)架；ANSYS Workbench；SolidWorks Simulation；焊接應(yīng)力

近年來，隨著新能源汽車行業(yè)的迅速崛起，作為新能源汽車核心部件的動(dòng)力鋰電池也隨之迎來蓬勃發(fā)展。鋰電池的下游應(yīng)用市場(chǎng)可分為三大板塊，分別是消費(fèi)類電子產(chǎn)品（電腦、手機(jī)、移動(dòng)充電電源等）、工業(yè)&儲(chǔ)能（電網(wǎng)儲(chǔ)能、移動(dòng)通信基站電源及家庭儲(chǔ)能等）以及電動(dòng)交通工具（新能源公交車、新能源汽車等）。

如今，國(guó)內(nèi)外鋰電池產(chǎn)業(yè)基本是集中在中國(guó)、韓國(guó)以及日本。國(guó)內(nèi)的部分動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈知名企業(yè)有：比亞迪（從原材料到電池、電機(jī)、電控再到整車，形成產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)模式）、CATL（從原材料到電池組再到回收應(yīng)用以及鋰電池檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域都有所涉足）、國(guó)軒高科（涵蓋了磷酸鐵鋰正極材料、電芯生產(chǎn)、BMS以及PACK等環(huán)節(jié)）。而在國(guó)外鋰電池市場(chǎng)，則仍是LG化學(xué)、三星SDI以及松下的天下，它們的市場(chǎng)占有率高達(dá)76%。其中，日本在鋰電池的研究發(fā)明方面一直處于世界領(lǐng)先地位，在2000年之前，日本在全球的市場(chǎng)份額達(dá)到95%。而韓國(guó)很注重在大型充電電池市場(chǎng)的占有。歐美一些國(guó)家采用跨越式的發(fā)展方法，靠自己的設(shè)備來生產(chǎn)裝備鋰電池。如Duracell、Polystor、美國(guó)Moli能源公司等等。無論是在電池的穩(wěn)定性、循環(huán)壽命以及電池的一致性上面較國(guó)內(nèi)有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)下游產(chǎn)業(yè)鏈的吸引力也較大。

軟包鋰電池分檔機(jī)是根據(jù)上一流程測(cè)得的軟包電池相關(guān)數(shù)據(jù)而進(jìn)行的自動(dòng)化篩選裝置?，F(xiàn)在仍然存在一些企業(yè)用人工進(jìn)行遴選電池的優(yōu)劣好壞，不僅生產(chǎn)成本高而且效率低下，同時(shí)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度高。為此，需要設(shè)計(jì)一款自動(dòng)分檔機(jī)，以降低生產(chǎn)成本、提高效率并降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

機(jī)架是整軟包電池分檔系統(tǒng)最主要的承載部件，在整個(gè)分檔系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況下，機(jī)架將會(huì)受到動(dòng)載荷的影響而發(fā)生輕微晃動(dòng)或變形，進(jìn)而會(huì)影響抓取機(jī)構(gòu)對(duì)軟包電池的精確定位與抓取，嚴(yán)重則可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)分檔的失敗。因此很有必要利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)分檔機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，通過分析可以得出機(jī)架在受力后的總應(yīng)變應(yīng)力等情況，從而知道其不足之處再加以優(yōu)化。

1 軟包電池分檔系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

軟包電池分檔系統(tǒng)主要由一個(gè)分檔機(jī)線體總裝、兩個(gè)分檔機(jī)及一個(gè)電控柜體等部分組成。

分檔機(jī)線體總裝是指在電池分選全程裝載在托盤上的電池所要運(yùn)動(dòng)的路徑以及流程的自動(dòng)化線體。分檔機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)電池的三維空間移動(dòng)、抓取以及存放等動(dòng)作。電控柜體的作用是控制整個(gè)分檔系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及流程。

此分檔系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)原理是，在完成上一測(cè)試工位后的電池，以托盤作為電池載體，當(dāng)滿托盤來料時(shí)，定位后，運(yùn)用線性模組組成的機(jī)械手進(jìn)行抓取來料的軟包電芯，根據(jù)前工序測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分檔，化成管理控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)分選標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分選，并自動(dòng)上傳分選信息。當(dāng)某一檔位裝滿時(shí)，自動(dòng)流出，隨之而來的是被滿盤分檔出來的空托盤自動(dòng)填位，實(shí)現(xiàn)滿托盤進(jìn)滿托盤出。

在整個(gè)軟包電池分檔系統(tǒng)中最主要的承載部件是分檔機(jī)的機(jī)架，故而很有必要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。分檔機(jī)是由機(jī)架模塊、抓取模塊、運(yùn)動(dòng)模組模塊等組成，如圖1所示。

2 機(jī)架靜力學(xué)分析

2.1 建立有限元機(jī)架模型

機(jī)架主要是由材料為Q235A的方管焊接組成，構(gòu)成該焊接機(jī)架的整體長(zhǎng)寬高為2980 mm×2960 mm×1030 mm。利用SolidWorks進(jìn)行幾何建模，然后通過軟件自動(dòng)接口程序來完成對(duì)幾何數(shù)據(jù)的自動(dòng)導(dǎo)入，導(dǎo)入到ANSYS中。由于鋁型材是標(biāo)準(zhǔn)件以及為了分析簡(jiǎn)便，去除鋁型材之間的一些連接件以及地腳之間的連接，為彌補(bǔ)誤差，在后續(xù)進(jìn)行有限元分析機(jī)架時(shí)設(shè)定方管之間連接方式為Bonded的接觸類型。導(dǎo)入后的有限元機(jī)架模型如圖2所示。

2.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格的疏密程度直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度與正確性，所以必須選擇合理的網(wǎng)格類型以及網(wǎng)格劃分方法。經(jīng)過幾次反復(fù)試驗(yàn)的網(wǎng)格劃分，發(fā)現(xiàn)對(duì)機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分的結(jié)果并沒有隨著網(wǎng)格的加密而改變很大，即當(dāng)網(wǎng)格細(xì)化后，解沒有明顯的改變。而這一結(jié)果沒有多大改變的初始劃分方法是Automatic（自動(dòng)網(wǎng)格劃分），在Sizing中也沒有使用高級(jí)網(wǎng)格劃分方式，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Relevance Center（相關(guān)性中心）為Coarse模式，Element Size（單元尺寸）設(shè)置為默認(rèn)。由于這是用于結(jié)構(gòu)的計(jì)算，Smoothing（平滑度）設(shè)置為L(zhǎng)ow。由于該材料是Q235碳素鋼，對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)如表1所示。經(jīng)過對(duì)分檔機(jī)機(jī)架的網(wǎng)格劃分之后，該有限元機(jī)架模型中包含了128667個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和57715個(gè)單元數(shù)。該機(jī)架網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

1.抓取模塊 2.運(yùn)動(dòng)模組模塊 3.檔位模塊 4.機(jī)架模塊 5.電控模塊

圖2 有限元機(jī)架模型

表1 材料力學(xué)參數(shù)

圖3 機(jī)架網(wǎng)格劃分

2.3 施加載荷與約束

對(duì)機(jī)架施加載荷與約束是有限元靜力學(xué)分析基礎(chǔ)的一步，也是最關(guān)鍵的一步。該分檔機(jī)機(jī)架施加的載荷與約束為：

（1）施加載荷：如表2所示，施加的載荷為機(jī)架在各個(gè)層面上的部件的重量，且其重力是均勻分布在方管的各個(gè)面上，所以在Loads里面設(shè)置為Pressure。在最上面的第一層方管上所承受重量為1＝907.9 N，接觸面積為1＝693600 mm2，可得1＝1308.97 Pa；而下方第二層方管上均勻所承受的重量為2＝483.16 N，其接觸面積為2＝298080 mm2，可得2＝1620.9 Pa。兩層重量的方向均是指向軸向下。

表2 機(jī)架上各部分質(zhì)量

（2）位移約束：對(duì)焊接機(jī)架的底座，即方通上各個(gè)底部接觸面，設(shè)置為Fixed Support將其固定約束。施加的載荷與位移約束的分檔機(jī)機(jī)架有限元模型如圖4所示。

2.4 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

通過求解可以得到圖5～圖7。

圖4 施加載荷與約束的機(jī)架有限元模型

圖5 總變形分布云圖

圖6 機(jī)架等效應(yīng)變圖

圖7 機(jī)架等效應(yīng)力圖

對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析可知，機(jī)架受力最大的位置是在上層側(cè)邊方管的中間處，其最大的總變形為0.04034 mm，最大應(yīng)力為2.6733 MPa＜[]＝235 MPa（Q235A的屈服強(qiáng)度）。由此可知，此分檔機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)可以滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 機(jī)架模態(tài)分析

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。模態(tài)分析可以幫助設(shè)計(jì)人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振，且有助于在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與其他動(dòng)力特性分析中估算求解控制參數(shù)。并指導(dǎo)工程師預(yù)測(cè)在不同載荷作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式。由于低階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響較大，所以選擇前6階的模態(tài)頻率與主要振型進(jìn)行研究，分析結(jié)果如圖8以及表3所示。

表3 機(jī)架的前六階模態(tài)頻率

由圖8與表3可知，分檔機(jī)的機(jī)架模態(tài)頻率分布在17～31 Hz之間，并伴隨著振型階數(shù)的增加而增加。其中4階、5階振型時(shí)，上層方管受影響最大。而上層電機(jī)的轉(zhuǎn)速為960 r/min，級(jí)數(shù)為6，根據(jù)公式＝/60可得，＝96 Hz。由此可得，前6階模態(tài)頻率與電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的頻率相差較大，故而不會(huì)發(fā)生共振。

綜上所述，采用ANSYS Workbench軟件對(duì)分檔機(jī)機(jī)架的靜力學(xué)分析與模態(tài)分析的結(jié)果可信，該機(jī)架的設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)使用要求。

4 焊縫強(qiáng)度校核

校核焊縫強(qiáng)度的目的是校驗(yàn)焊縫的設(shè)計(jì)以及焊縫工藝設(shè)計(jì)是否滿足構(gòu)件使用要求。如果焊縫所受的應(yīng)力大于許用應(yīng)力，則焊縫不能滿足使用要求，需要改進(jìn)焊縫工藝以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)以達(dá)到焊縫使用強(qiáng)度要求。

4.1 焊接處有限元分析

由于整個(gè)機(jī)架每處的焊接工藝、焊接材料相同，故取焊接部分作為有限元分析對(duì)象，分析在焊接處應(yīng)力的變化、焊接強(qiáng)度，再與此處計(jì)算出來的許用應(yīng)力對(duì)比，判斷是否符合焊接工藝設(shè)計(jì)要求。

這里運(yùn)用了SolidWorks Simulation軟件對(duì)兩個(gè)方管焊接處進(jìn)行強(qiáng)度分析，如圖9所示。每處焊接部分的焊縫大小為5 mm，焊縫長(zhǎng)度為每個(gè)方管的寬度為80 mm（針對(duì)寬度為40 mm的方管其焊接寬度為40 mm）。對(duì)這局部焊接結(jié)構(gòu)材料、彈性模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，經(jīng)過分析之后，得到圖10。此焊接處的應(yīng)力最小值為1.706 MPa，應(yīng)力最大值為8.752 MPa，其余焊接各處的應(yīng)力值介于兩者之間。

圖8 機(jī)架各階模態(tài)

4.2 許用應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算過程可知：

確定安全系數(shù)：對(duì)于一般質(zhì)量的材料，通常在確定工作載荷與環(huán)境條件下的構(gòu)件?。?～2.5，這里取2.5。

圖9 焊縫情況

圖10 焊縫處應(yīng)力分布圖

4.3 強(qiáng)度校驗(yàn)

由上述分析可得焊縫工藝與構(gòu)件設(shè)計(jì)能夠滿足使用設(shè)計(jì)要求。但此次分析校驗(yàn)過程沒有考慮殘余應(yīng)力與其他缺陷等因素的影響，所以構(gòu)件在使用前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行一些消除殘余應(yīng)力的特殊處理以減少載荷集中，并使焊接表面光滑，沒有焊接缺陷。

5 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS Workbench 軟件對(duì)分檔機(jī)的機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，可以得出：

（1）對(duì)分檔機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，機(jī)架最大的受力位置在上層側(cè)邊方管中間處，其最大受力為2.6733 MPa＜[]＝235 MPa，滿足分檔機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度要求。

（2）由模態(tài)分析可以得出分檔機(jī)機(jī)架前6階模態(tài)的固有頻率以及各階振型，其模態(tài)頻率的范圍為17～31 Hz，而已知電機(jī)的頻率為96 Hz，因此可以得出該分檔機(jī)的機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振，滿足生產(chǎn)使用要求。

（3）經(jīng)有限元分析與計(jì)算比較得知，此機(jī)架的焊縫工藝能夠滿足使用設(shè)計(jì)要求。

此研究結(jié)果為整個(gè)軟包電池分檔機(jī)的后續(xù)優(yōu)化及設(shè)計(jì)提供了參考。

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Finite Element Analysis of the Frame of Soft Pack Lithium Battery Sorting Machine

YAN Haike，LIN Guangchun，CHEN Shichao，XU Binghui

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

The frame is an important supporting part of the soft pack lithium battery sorting machine. In this paper, the characteristics of the frame under working conditions is studied to make clear of the stress and strain and other responses to the stress, and find out the weak part of the frameunder the stress. First, according to the working condition of the sorting machine, the working characteristics of the frame are analyzed, and the structural parameters of the frame are determined. Then, the 3D model of the entire sorting machine is built by the 3D modeling software SolidWorks, and then imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench to perform static analysis and modal analysis on the 3D model established. Next, the total deformation nephogram, the equivalent stress–strain nephogram and the mode shape and frequency of the first 6 modes of the frame are solved. Finally, simulation finite element analysis software SolidWorks is used to analyze the strength stress of the frame after welding, and compare it with the theoretically calculated allowable stress to determine whether the welding meets the welding process design requirements.

sorting machine frame；ANSYS Workbench；SolidWorks Simulation；welding stress

TH122；U473.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.010

1006－0316 (2020) 03－0057－06

2019－11－05

嚴(yán)海科（1991－），男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人學(xué)；林光春（1964－），男，四川成都人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人學(xué)。