基于ANSYS的热电池组合结构有限元动态分析

武艳波， 许江文， 任丽娟

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.陕西航空职业技术学院，陕西汉中723102)

基于ANSYS的热电池组合结构有限元动态分析

武艳波1， 许江文1， 任丽娟2

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.陕西航空职业技术学院，陕西汉中723102)

随着热电池结构技术的发展，热电池组合结构在承受振动、冲击等力学环境中，所表现出的力学动态特性对热电池组合结构的设计具有重要的指导价值。热电池组合结构本身具有一定的刚性和固有频率，这些特性均是热电池组合结构动态设计中的重要参数。为了避免外力频率和固有频率相同而发生共振，采用ANSYS workbench12.0建立了热电池组合结构的有限元模型，并基于该模型，对热电池组合结构进行了静态强度分析以及模拟力学环境中的结构动态特性分析。

热电池；组合结构；有限元

随着计算机技术和有限元技术的飞速发展，产品的计算机仿真技术在各个领域得到了广泛的应用，有限元法是设计分析复杂结构最有效的手段，有限元法和CAD技术是国内外广泛采用的现代设计理论方法，是提高产品设计质量、降低成本、缩短设计周期和提高工作效率，减少设计盲目性的有力工具，更是企业提高应变能力、参与竟争的必要手段。

热电池主要用于导弹、火箭等现代武器。现代武器的快速发展对热电池提出了更新、更高的要求，单元热电池已经逐渐无法满足长寿命、大功率的要求，随着热电池研究的不断深化，热电池组将是热电池技术发展的主要方向，组合结构是热电池组设计的关键技术之一。

振动、冲击等力学环境是机械结构常遇到的问题，会造成结构疲劳而导致破坏。热电池组合结构力学传递的动态特性决定其使用过程中承受振动、冲击等力学环境的能力，必须通过结构优化设计避免或降低力学环境对关键元件、承力薄弱部分等的影响；不合理的结构设计不仅影响整个产品结构的稳定性，而且会直接影响热电池的电性能。结构本身具有某种程度的刚度，其固有频率及模态是结构受动态载荷结构设计中的重要参数，避免外力频率和结构固有频率相同，以防止发生共振[1]。

本文基于有限元理论，以有限元分析软件ANSYS为平台，对热电池组结构进行有限元动态分析，将先进的设计分析应用于结构设计中，为设计经济、可靠、稳定和高性能的热电池组提供了有效的手段。

1 结构分析的有限元法

机械和结构中的振动有些对我们有利，有些对我们有害，因此，必须对振动体本身的振动特性以及它对外激励力的响应有明确的认识。振动要解决的问题主要有两个方面：一是寻求结构的固有频率和主振型；二是分析结构的动力响应特性。结构的固有频率和主振型只与结构的刚度特性和质量分布有关，因此，可用自由振动微分方程来分析它们[2]：

各节点的动位移随时间的变化为：

消去sin(ω+α)，得：

在数学中，这是广义特征值问题。若结构发生自由振动，它应当有非零解，有：

式(4)是关于ω2的高次代数方程，通常叫做多自由度体系自由振动频率方程，它求解的特征值和特征向量分别对应结构振动的固有频率和振型，它的次数等于结构的自由度数。

2 热电池组结构分析

2.1 热电池组结构设计

电池组外形尺寸(不含连接器)为312 mm×155 mm×78 mm。电池组由4只Φ70 mm×144 mm单元电池组成，用上、下固定板固定单元电池，用拉杆、支撑杆拉紧单元电池。热电池组质量约6.5 kg，用Pro/ENGINEER对热电池组进行三维建模，如图1所示。

图1 电池组三维模型

热电池组中除单元电池外其余结构件均使用牌号为2A12的铝合金材料。常温下，这些材料的性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数

2.2 有限元模型

采用ANSYS workbench12.0对热电池组进行有限元分析，将单体电池简化成质量单元，拉杆简化成梁单元，螺栓连接处简化成梁单元和刚性单元，采用实体单元对整个组合结构进行网格划分，有限元模型中节点总数为110 142；单元总数为51 805，有限元模型如图2所示。

图2 电池组结构有限元模型

2.3 静力学分析

2.3.1 边界条件

(1)载荷

对整个模型分别施加X、Y、Z三个方向加速度值为27 g，时间为1 min的载荷。

(2)约束

根据热电池组的实际工作情况，约束热电池组安装脚内安装孔的所有径向位移、水平位移及扭转。

2.3.2 静力学计算结果

热电池组相当于第四强度理论校核的Von Mises最大应力值为14.357 MPa，小于屈服强度274 MPa，分布如图6红色区域所示，在热电池组工作的方向上，位置位于电池组安装脚上。最大位移为0.008 051 mm，变形也相当小。从静力学分析可以看出，结构满足刚强度要求。静强度分析计算结果见表2，方向仿真结果如图3、4。

表2 静强度分析计算结果

图3 方向整体位移变形云图

图4 方向结构应力云图

2.4 模态分析

模态分析一般是用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性。它也是其他更详细动力学分析的起点。通过模态分析可以确定结构部件的固有频率和振型。对于在动力加载条件下的结构设计而言，模态分析是非常重要的参数。

本结构的模态分析采用模态迭加法，对热电池组进行前6阶模态计算，如表3所示。并列出前三阶模态振型，如图5～7所示。

表3 热电池组的前6阶频率

2.5 随机振动分析

机械振动的动载荷增大，有害的振动会降低热电池组的工作性能和产品质量，过大的动载荷会造成热电池组的破坏。热电池组的随机振动历来比较严酷，因此对热电池组进行了有限元分析。随机振动的输入载荷按表4中的条件施加，然后进行分析。

图5 第1阶模态振型

图6 第2阶模态振型

图7 第3阶模态振型

表4 随机振动实验条件

热电池组承受振动时的最大应力值为57.84 MPa，小于屈服强度274 MPa，分布如图18红色区域所示，在热电池组工作的方向上，位置位于电池组安装脚上。最大位移为0.038 675 mm，变形也相当小。仿真计算结果如图8～13和表5。

表5 随机振动分析计算结果

图8 方向整体位移变形云图

3 结论

通过对电池组仿真计算可以看出，热电池组的基频为1 132.5 Hz，表明结构的力学传递特性较好。静强度分析可以看出，结构上的最大应力小于材料的屈服强度，静强度满足要求；结构动态仿真计算结果分析可以看出，该结构设计在承受实际力学环境时，由于结构力学传递特性的影响，在某些部位承受的力学量级出现一定放大，但均在设计裕度内。

图9 方向结构应力云图

图10 方向整体位移变形云图

图11 方向结构应力云图

图12 方向整体位移变形云图

图13 方向结构应力云图

[1]赵经文，王宏钰．结构有限元分析[M]．北京：科学出版社，2001：27-38.

[2]李景湧.有限元法[M].北京：北京邮电大学出版社，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

武艳波(1982—)，女，山西省人，工程师，主要研究方向为热电池。