基于ANSYS Workbench电池箱模态分析和对比

吴建军 王奕 曹旭东 刘明珠 王飞飞

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722120

摘要：模态分析是所有动力学分析的基础，是后期对该电池箱进行振动分析的保证。本文基于ANSYS Workbench软件，利用三种不同的思路对电池箱进行模态仿真计算。通过结果分析，得出电池箱是否施加重力对其固有频率的影响很小，但其是否施加质量点影响却非常大。验证了ANSYS Workbench软件在计算模态时是默认添加重力的，同时也进一步的验证了预应力对结构模态是有影响的。

关键词：电池箱；ANSYS Workbench；模态分析；预应力

模态分析是所有动力学分析的基础，是确定结构的固有频率和对应频率的振型。对电池箱进行模态分析是对后续进行的振动分析的前提工作和作为其他动力学分析的参考。本文对本公司某型号专用车的电池箱进行模态分析，针对计算结果判断是否符合设计要求，同时对是否施加预应力对结果的影响进行了对比。

1 模态分析的基本概念

模态分析是为了获取结构比较敏感的频率区间，据此来预知电池箱结构在此频率区间范围内，与系统其他的结构是否发生共振，进而验证所设计的结构是否合理。电动汽车在行驶过程中会发生振动，电池包也会随着振动，因此要避免电池包与车身产生共振，就要计算分析电池包的模态，分析各个振源下的振动响应特性。ANSYS Workbench可进行一般结构的模态分析、有应力模态分析、大变形有应力模态分析、循环对称结构的模态分析、有应力循环对称结构的模态分析、无阻尼和有阻尼结构的模态分析。本文主要对电池箱进行一般结构和有应力的模态分析[1]。

模态分析实际上就是解自振动结构的平衡方程，求特征值。具体的方程式如下：

式中，K为结构刚度矩阵；M为质量矩阵；λ是特征值矩阵。一般结构模态分析是不考虑阻尼效应。求解特征值问题可以得到n个特征值λi（n是自由度），向量X是与特征值对应的特征向量，这些特征值向量构成一个线性空间的一组正交基，一个有限元模型的任意变形都可以由这组基的线性叠加来表达[2]。

1.1 有限元模型的建立

利用同事的solidworks三维模型，导入到SCDM中进行前处理，删除不必要的倒角和小孔，并对所有的模型进行抽中面处理，因不考虑电池模组的变形情况，所以采用两个質量点对其替代，每个质量点的质量为100kg。有限元模型如图1。

1.2 添加材料并划分网格

电池箱的材料选择Q235B，根据材料供应商提供的数据得到表1的材料属性。

插入size控制，在Element Size中填写6mm，在detail of mesh的总体设置中，relevance center选择Medium，span angle center选择Medium，网格划分方法选择Quadrilateral Dominant，其余默认。最终得到单元数73945个，节点数为76540，网格质量为0.9563，纵横比为1.066。划分网格后的模型如图2。

1.3 设置接触

在模态分析中，不考虑任何的非线性行为，如用户自己定义了非线性行为，如接触非线性等，程序也会将其以初始刚度状态当作非线性行为进行计算。因此，所有的接触类型选择Bounded，formulation选择MPC，其余的设置选择默认。设置接触后的有限元模型如图3。

1.4 边界条件和施加载荷

1.4.1 加质量点和重力

该载荷条件是根据电池箱的实际情况施加的，电池箱的两个框内各有100kg的电池模组，在4个吊耳处加固定约束，添加重力加速度，如图4所示。

1.4.2 加质量点不加重力和不加质量点

加质量点不加重力和不加质量点两种对比方式都是只在吊耳处加固定约束，区别只是在箱体内有无质量点，如图5和图6所示。

1.5 结果分析

经过计算得到在三种不同加载情况下的前六阶的频率和对应的振型：

1.5.1 加质量点和重力

该边界条件下的计算得到的箱体频率如表2和频率对应的振型如图7。

1.5.2 只加质量点

该边界条件下的计算得到的箱体频率如表3和频率对应的振型如图8。

1.5.3 不加质量点

该边界条件下的计算得到的箱体频率如表4和频率对应的振型如图9。

由分析结果可得，加质量点和重力与只加质量点两种不同的施加条件下，计算得到的前六阶频率误差非常小，对应的振型也几乎一样。因此可以得出，在ANSYS Workbench中，对模型进行模态分析时，是否施加重力对最后的计算结果影响不大。对比是否加质量点的两种施加条件，由计算结果可得，加质量点的第一阶模态对应的频率为30.16Hz，而不加质量点第一阶模态对应的频率为56.589Hz，在添加质量点之后会使结构的频率降低，从而发生共振的几率会更大。因此在后期试验中，只需验证箱体装满电池模组时的模态。

由相关资料可得，汽车在各种路段行驶，受到的最大激励不会超过27Hz，可见电池箱的频率与其非常接近，但是观察第一阶和第二阶振型，其最大的变形量为0.62mm和0.92mm，其变形量在设计要求范围之内，可以认为是安全的。因此可认为该电池箱结构是设计合理的。

2 结论

本文基于ANSYS Workbench软件，利用三种不同的思路对电池箱进行模态仿真计算。得出：（1）电池箱是否施加重力对其固有频率的影响很小，但是其是否施加质量点影响却非常大。验证了ANSYS Workbench软件在计算模态时是默认添加重力的，同时也进一步的验证了预应力对结构模态是有影响的。（2）虽然该电池箱在施加质量点之后的第一阶固有频率为30.16Hz，非常接近汽车受到的最大激励的频率，但是其对应的振型中最大的变形量只有0.62mm，该变形量在设计设计要求范围之内，因此可认为该结构是符合设计要求的。（3）模态分析是动力学的基础，是后期对该电池箱进行振动分析的保证。但是在实际生产加工和装配过程中，存在着很多人为因素等其他原因，因此需要通过进一步的试验来验证仿真结果的准确性。

参考文献：

[1]王新敏.ANSYS结构动力分析与应用[M].北京：人民交通出版社，2014.4.

[2]王芳，夏军，等.电动汽车动力电池系统安全分析与设计[M].北京：科学出版社，2016.9.

[3]刘笑天，蒋超奇，江丙云，等.ANSYS Workbench有限元分析工程实例详解[M].北京：中国铁道出版社，2017.10.

[4] GBT 31467.3—2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法.

[5]周矩，苏金英.ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学） [M].北京：人民邮电出版社，2017.3.

[HTH]作者介绍：[HT][HTK]吴建军（1991），男，汉族，江苏盐城人，硕士，当前职务：CAE工程师。[HT]