一种电池结构优化设计研究

关振昆

(天津电源研究所，天津300384)

20世纪60年代初，计算机技术迅猛发展和数值计算方法广泛应用，催生了优化设计方法。该方法的发展和应用，提高了工程设计效率和质量[1]。结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式，对于试图产生超出设计者经验的有效的新型结构来说，“优化”为人们长期所追求最优的工程结构设计提供了先进的工具,结构优化设计成为近代设计方法的重要内容之一[2]。

目前，结构优化设计已广泛应用于工程领域，解决的问题从减轻结构质量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安全寿命等多方面。随着近年来有限元研究和应用的相对成熟，结构优化设计技术得到了长足的发展。针对不同领域的项目，优化应用的目标也不同，例如电源产品设计，因大多配套整机都有轻量化的指标要求，故其结构优化的目标通常是求解具有最小质量的结构,同时必须满足产品所处环境的约束条件，以获得最佳的力学性能，从而保证电源产品的可靠工作。

1 一种热电池结构设计

热电池是一种一次性激活储备电源，具有可靠性高、贮存时间长、激活快，工作温度范围宽，使用简便和无需维护等优点。其在现代军事领域的应用比较广泛，随着应用领域的不断扩展，热电池的性能也不断提升。热电池的设计除了根据结构尺寸性能指标及使用条件等，对激活方式、电化学体系、电性能、保温及结构等进行设计和计算外，还要进行力学环境适应性及性能验证试验，并对结构工艺参数等进行微调和优化。使其满足温度冲击、湿热、烟雾、霉菌、冲击、加速度、振动等环境试验要求。其中振动试验的目的是模拟一连串振动现象，测试产品在寿命周期中，是否能承受运输或使用过程的振动环境的考验，也能确定产品设计和功能的要求标准，考核产品在预期使用环境中的可靠性[3]。

本文案例是一种相对简单的热电池模块，模块模型见图1。该电池模块由两只热电池、上下盖板、连接杆以及两个安装侧板组成，每个侧板上的安装耳位置不居中对称，整体安装位置受到约束，因此整体上电池模块采用随形设计。此电池模块需要经受的力学试验项目包括随机振动、冲击和加速度。设计阶段通过仿真需要对结构强度进行分析，验证设计，确定电池模块在该力学条件下是否满足应用要求，同时对设计进行优化改进。

图1 电池模块模型

2 结构力学分析评估

2.1 ANSYS 软件简介

自20世纪中叶以来，有限单元法以其独有的计算优势得到了广泛的应用，成熟的通用和专业有限元商业软件中，ANSYS 软件以其多物理场耦合分析功能成为CAE 主流的应用软件，其功能强大，操作简便，能够对设计目标进行“结构、热、流体、电磁”仿真和分析，并进一步优化。该软件在核工业、铁道、轻工、石油化工、航空航天、机械制造等领域有着广泛的应用。Workbench[4]是ANSYS 公司开发的新一代协同仿真环境，可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理，自带可定制的工程材料数据库，支持几乎所有ANSYS 的有限元分析功能。本文采用ANSYS Workbench 软件[5]进行分析及优化工作。

2.2 力学性能评估

2.2.1 模型前处理

电池模型密度等效为铝合金，电池质量约为7 kg。首先对输入条件进行梳理，对几何模型进行校核。几何模型按技术条件进行了尺寸校核及检查，并对局部进行了修补和简化。简化后根据设定密度核算质量为6.948 2 kg，满足技术条件要求。采用ANSYS 软件对电池模块进行网格划分，几何模型采用混合单元设置，以四面体单元为主，整体网格划分处理后单元数182 165，节点总数为705 361。

电池模块经受的力学条件为沿三个相互垂直轴线的随机振动，沿三个相互垂直轴线的冲击以及沿三个相互垂直轴线的加速度。根据输入条件要求，分析涉及的零件包括电池单体均使用铝合金材料的密度及力学性能参数，如表1。约束位置在电池模块四个安装孔内侧。

表1 材料参数表

2.2.2 模态分析

产品结构的模态分析采用模态迭加法，对电池模块前20阶模态进行计算，如表2所示。取其前6 阶模态计算结果表示电池模块整体X向的基频863.5 Hz，Y向的基频705 Hz，Z向的基频401.8 Hz，前三阶模态振型见图2～图4。电池模块的基频远大于整机基频，满足总体技术要求，不会产生共振。这表明此结构的整体刚度较好。

图2 第一阶模态振型

图4 第三阶模态振型

表2 电池模块前6 阶固有频率

通过仿真分析产品三个方向的冲击和加速度条件下，结构的最大等效应力、位移均较小，满足设计指标要求，本文不再赘述。

图3 第二阶模态振型

2.2.3 随机振动仿真计算

电池模块随机振动分析，沿着产品三个相互垂直轴线的方向施加激励，输入载荷按表3 中规定的条件施加。

表3 随机振动试验条件

经过计算，X向最大位移变形量为0.216 57 mm，发生位置位于电池模块拉杆中部，最大等效应力值为344.28 MPa，位置位于电池模块安装耳根部；Y向最大位移变形量为0.182 39 mm，发生位置位于电池模块拉杆中部，最大等效应力值为360.13 MPa，位置位于电池模块侧板安装耳根部，与X向产生最大等效应力的位置相同；Z向最大位移变形量为0.206 11 mm，发生位置位于电池模块底板处，最大等效应力值为226.4 MPa，位置位于电池模块侧板安装耳根部，与X向产生最大等效应力的位置相同，如图5所示。

图5 X（Y、Z）方向最大等效应力位置

电池模块随机振动强度校核结果见表4。

表4 随机振动强度校核计算结果

2.3 结果分析

通过分析产品随机振动仿真数据，发现最大位移变形量微小，属于安全区间，满足设计要求。而垂直安装面的方向(Y向)和平行于安装面的水平横向(X向)的最大等效应力值不在安全应力极值区间内，已超出材料的屈服极限，不满足设计要求。具体分析发现最大等效应力值出现在同一位置，即安装耳根部，观察结构构型，判断属于结构设计直角引起的应力集中。为进一步确认此应力值的真实性，对产品结构进行静力学分析。根据选定极值点等效应力曲线的收敛趋势判断此极大值是由设计构型引起(见图6)，需对产品安装耳进行优化设计改进。

图6 应力集中点的等效应力曲线

3 结构优化设计研究

3.1 结构优化设计

结构优化设计经过数十年的发展和应用，已经成为可靠、高效的现代设计方法之一。其内容具体包含拓扑优化、形状优化、尺寸优化等。其方法主要有准则优化法、数学规划法、遗传算法、智能优化算法和仿生优化算法等[6]。本例中根据前述分析结果对产品结构进行优化设计，考虑到产品的整个构型设计，除电池单体外，上下盖板和连接杆已经不具备形状优化的潜力，而且根据分析结果也不存在应力集中点，所以结构优化将从两个侧板入手，首先对几何模型的四个安装耳根部直角边界进行形状导圆处理(见图7)，经过计算，增加安装耳厚度可以减小应力，同时考虑到质量指标要求，结合设计经验对安装耳的矩形构型进行了优化改进。经过对不同构型的安装耳进行比较分析，初步确定采用圆型安装耳的设计构型，并进行进一步的力学仿真分析验证。

图7 安装耳构型优化

3.1.1 模态分析

改进安装耳设计后，对几何模型按技术条件进行了尺寸校核及检查。改进后根据设定密度核算质量为6.958 3 kg，比更改之前重了10.1 g，虽满足技术条件要求，但考虑到产品加工及组装中的工艺误差，还需对设计参数做进一步优化以减轻质量，先对改进后的模型整体进行力学条件分析判定优化的有效性。

对改进后的电池模块进行前20 阶模态计算，如表5所示。前6 阶计算结果表示电池模块整体X向的基频930.6 Hz，Y向的基频775.3 Hz，Z向的基频444.2 Hz，表明此结构与改进前模态频率相差不大，满足总体技术要求，整体刚度较好。同时通过仿真分析产品三个方向的冲击和加速度条件下，结构的应力、位移均较小，满足设计指标要求，本文不再赘述。

表5 改进后电池模块前6 阶固有频率

3.1.2 随机振动仿真验证

电池模块随机振动分析依旧沿着三个相互垂直轴线的方向施加激励，输入载荷按表3 中规定的条件施加。经过计算，X方向最大位移变形量为0.218 44 mm，发生位置位于电池模块拉杆中部，最大等效应力值为175.3 MPa，位置位于电池模块侧板构型倒角处，如图8所示；Y方向最大位移变形量为0.188 7 mm，发生位置位于电池模块拉杆中部，最大等效应力值为220.5 MPa，位置位于电池模块侧安装孔边缘处，如图9所示；Z方向最大位移变形量为0.182 41 mm，发生位置位于电池模块底板处，最大等效应力值为165.7 MPa，位置位于电池模块侧板安装耳构型处，如图10所示。

图8 X方向整体结构应力云图

图9 Y方向整体结构应力云图

图10 Z方向整体结构应力云图

电池模块随机振动强度校核结果见表6。

表6 随机振动强度校核计算结果

通过分析改进后产品的随机振动仿真数据发现最大位移变形量微小，满足设计要求，属于安全区间。最大等效应力值出现在不同位置，且各位置最大等效应力值也在安全裕度区间内，因此此次优化改进有效的解决了原始构型设计所产生的应力集中。但是由此带来了质量的增加，考虑到未来加工组装工艺中的不可控因素，接下来将根据产品的指标要求对质量进行优化。纵观整个产品结构组成，为了保证电池的质量指标，优化目标就选择了链接安装耳的两个侧板部件。

3.2 参数优化设计

此次优化工具选择ANSYS Workbench 中的Design Exploration 模块寻找侧板部件一种最优组合尺寸方案。具体优化步骤为：

(1)选择优化目标模型和主要优化参数，确定设计变量和变量范围；

(2)选择需要优化的性能参数作为优化目标，设置约束条件；

(3)利用响应面优化模块进一步生成设计变量的灵敏度图、响应面等，以约束条件开展优化计算，获得最优尺寸参数。

3.2.1 设计变量

首先对侧板几何模型进行参数化设置，结合此次的产品实际，经过分析，安装耳的孔位和孔径属于对外接口尺寸，不能调整；侧板连接上下盖板的长度方向尺寸即与单体电池高度相关联的尺寸属于内部接口尺寸，不能轻易调整；除此之外的所有侧板其他尺寸均可参数化设置，作为此次优化的设计变量。经过统计共涉及设计尺寸变量29 个，为了突出重点和缩短分析时间，在Workbench 中对所有参数化尺寸进行关联性简化，最终形成10 个设计尺寸变量，设计变量及取值范围见表7，设计变量初始值选取原始设计值。

表7 设计变量及取值范围 mm

3.2.2 优化变量及约束条件

通过前述分析，优化变量选取了产品三个方向的最大等效应力以及产品质量作为目标，定义为优化设计的输出，在寻求最优尺寸降低质量的同时还要保证应力最小化的目标。最大等效应力参考改进后的分析结果，按照安全裕度值设置三个方向目标值均设为180 MPa；质量指标则根据计算初步设定目标值6.8 kg，详见表8。

表8 优化目标及约束条件

3.2.3 优化计算及结果

为了提高后续优化的效率和精度，首先利用Parameters correlation 进行参数敏感性分析，找出侧板设计变量之间的相关性以及输出变量关于输入变量的敏感性(见图11)。根据最终的10 个参数的敏感性分析结果进行响应面分析。通过设计采样点和曲面拟合技术生成优化变量关于设计变量的响应面，进行响应面优化，优化中通常采用多目标遗传算法MOGA 作为目标优化方法[7]。例如图12，软件给出了敏感性最大的侧板宽度尺寸P5 和凸台高度尺寸P53 相对于垂直安装面的最大应力P35 的响应面，通过软件计算得出推荐的三组最佳参数点，计算最佳参数点的截图见图13。

图11 设计变量对于优化变量的敏感度

图12 P5和P53关于P35的响应面

图13 计算最佳参数点的截图

经过优化计算，软件给出最优的参数推荐方案，由此看出此方案优化结果为产品质量最优，相比改进后的方案，质量最小的一组数据较改进前减小约148 g；三个方向最大等效应力也得到优化，安全裕度达到1.35～1.60。将优化结果作为设计参考点进行复算分析验证，达到预期目标。综合考虑加工因素选取最优设计参数，完成模型的设计修正。

4 结论

综上所述，本文提出了一种热电池结构的优化设计，通过对比优化前后的最大应力、质量等参数，验证了优化方案、优化方法的可行性，达到结构优化设计的预期。当然，也可以在此基础上针对其他部件采用ANSYS 软件继续进行优化设计，甚至调整变量范围等等，最终寻求出更优的设计参数，这些都要根据项目的研制周期、成本等因素综合考虑，有些甚至到详细设计阶段才能确定。但这并不妨碍优化设计方法的广泛应用。

随着优化技术的不断发展，优化在“新器件、新设计、新工艺”的不断应用，结构优化设计方法将是多样化的，究竟采用什么样的优化设计方法合适，应结合具体项目做具体分析。我们应合理选择优化设计与分析方法，有效的从设计上保证结构的抗力学性能，满足使用要求，保证电池工作的稳定性和可靠性。