干電池包結(jié)構(gòu)仿真這幾年被問(wèn)得最多的一句話是這玩意兒算得準(zhǔn)嗎說(shuō)實(shí)話仿真能不能指導(dǎo)設(shè)計(jì)取決于你把它當(dāng)回事還是當(dāng)個(gè)過(guò)場(chǎng)。電池包不是一塊鐵疙瘩它是電芯、模組、箱體、BMS、高壓母排、冷卻系統(tǒng)捏合在一起的多物理場(chǎng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)分析恰恰是決定它能不能扛住整車振動(dòng)、能不能通過(guò)法規(guī)試驗(yàn)的關(guān)鍵一環(huán)。今天這篇內(nèi)容我把自己在項(xiàng)目里摸出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)整理成文不搬運(yùn)教科書(shū)理論只講工程里真正用得到的東西寫(xiě)給剛接觸電池包CAE的新人也給正在為仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)發(fā)愁的同行做個(gè)參考。1. 電池包結(jié)構(gòu)仿真到底在仿什么1.1 先搞清楚工況體系電池包的結(jié)構(gòu)仿真核心任務(wù)可以歸納成一句話驗(yàn)證箱體和內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)在整車生命周期內(nèi)能不能抵抗住所有可預(yù)期的力和振動(dòng)。說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單展開(kāi)之后的工況體系相當(dāng)龐大我習(xí)慣按四類來(lái)拆模態(tài)、強(qiáng)度剛度、疲勞耐久、碰撞擠壓。模態(tài)對(duì)應(yīng)共振風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度剛度對(duì)應(yīng)極限載荷下的變形和應(yīng)力疲勞耐久對(duì)應(yīng)電磁振動(dòng)、路面隨機(jī)振動(dòng)這類長(zhǎng)期載荷碰撞擠壓則對(duì)應(yīng)法規(guī)碰撞和底部托底等極端場(chǎng)景。每一類工況對(duì)應(yīng)的仿真手段、計(jì)算工具和評(píng)估指標(biāo)都不一樣所以做項(xiàng)目之前一定要先跟整車接口團(tuán)隊(duì)把工況矩陣定清楚。工況矩陣沒(méi)對(duì)齊就開(kāi)始建模后邊算了一堆結(jié)果評(píng)審時(shí)發(fā)現(xiàn)載荷條件對(duì)不上返工量是災(zāi)難級(jí)的。這里要特別強(qiáng)調(diào)一個(gè)點(diǎn)電池包的結(jié)構(gòu)仿真不是單純看變形和應(yīng)力它必須結(jié)合電安全。箱體任何一處開(kāi)裂都有可能導(dǎo)致冷卻液泄漏、絕緣失效、高壓互鎖斷開(kāi)所以很多工況的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不是不斷裂就完事而是變形量必須嚴(yán)格控制在某個(gè)閾值內(nèi)。比如底部托底工況護(hù)板允許塑性變形但電芯安裝區(qū)域的侵入量必須控制在電芯安全邊界以內(nèi)這類約束條件要在仿真目標(biāo)里提前寫(xiě)清楚。1.2 電芯與模組裝夾的力學(xué)耦合很多新手把電池包的力學(xué)仿真只理解成箱體強(qiáng)度校核這是很典型的認(rèn)知偏差。電芯和模組的裝夾狀態(tài)對(duì)整體剛度的影響非常大。方形鋁殼電芯通過(guò)模組端板、側(cè)板、綁帶或粘接方式固定在箱體內(nèi)電芯本身在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生厚度方向膨脹這種膨脹會(huì)讓模組邊界約束條件發(fā)生改變進(jìn)而影響整個(gè)電池包的模態(tài)和振動(dòng)傳遞路徑。我在做電池包級(jí)別仿真時(shí)通常會(huì)在箱體和模組之間引入等效剛度的墊層單元或接觸關(guān)系把電芯的膨脹力映射為預(yù)應(yīng)力場(chǎng)再疊加振動(dòng)工況求解。這一步的精度上限取決于裝機(jī)后的真實(shí)膨脹量做之前要和電芯團(tuán)隊(duì)對(duì)齊電芯膨脹曲線數(shù)據(jù)計(jì)算基準(zhǔn)是常溫狀態(tài)還是高溫滿充狀態(tài)一定要在報(bào)告里寫(xiě)明否則不同版本模型之間結(jié)果對(duì)不上排查起來(lái)非常頭疼。還有一點(diǎn)容易被忽略模組安裝在箱體底板上如果底板平面度不好或者螺栓預(yù)緊力不足模組在振動(dòng)工況下會(huì)存在輕微位移導(dǎo)致連接器端子承受額外載荷。所以建模時(shí)模組與底板的接觸摩擦系數(shù)、螺栓預(yù)緊力都要寫(xiě)入邊界條件不要想當(dāng)然默認(rèn)所有連接都是剛性鎖死的。1.3 熱管理與力學(xué)分析的交叉影響電池包的結(jié)構(gòu)仿真還有一個(gè)容易忽略的方向熱-結(jié)構(gòu)耦合。模組和冷卻板之間通常會(huì)有導(dǎo)熱墊、結(jié)構(gòu)膠或者螺栓連接充放電過(guò)程中溫度變化引起的熱膨脹如果被約束住就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這個(gè)熱應(yīng)力在常溫工況下可能不致命但在低溫冷啟動(dòng)、高溫快充疊加機(jī)械振動(dòng)的聯(lián)合工況下往往是焊點(diǎn)開(kāi)裂、母線絕緣支架斷裂的誘因。對(duì)于這類耦合問(wèn)題我一般不會(huì)一上來(lái)就做完整的熱-力順序耦合大模型而是先做溫度場(chǎng)分布再提取重點(diǎn)區(qū)域的溫度梯度映射到結(jié)構(gòu)模型中的關(guān)鍵連接位置做局部子模型分析。這樣既能控制計(jì)算成本又能鎖定真正有風(fēng)險(xiǎn)的位置。舉個(gè)具體例子冷卻板進(jìn)水管連接區(qū)域在低溫工況下因?yàn)樗芎拖潴w材料熱膨脹系數(shù)不同局部應(yīng)力會(huì)明顯升高這類位置在純力學(xué)分析里是看不出來(lái)的必須疊加溫度場(chǎng)才能暴露。2. 工具選型與材料參數(shù)準(zhǔn)備2.1 用哪款軟件看你的場(chǎng)景電池包結(jié)構(gòu)仿真圈里常用工具其實(shí)就那幾款A(yù)baqus、ANSYS Mechanical、Nastran、LS-DYNA。如果你的主攻方向是模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)Abaqus和Nastran都足夠穩(wěn)如果要做大變形、碰撞擠壓、底部托底這類顯式動(dòng)力學(xué)工況LS-DYNA基本是首選因?yàn)轱@式求解器處理接觸和材料失效比其他工具成熟得多ANSYS在耦合場(chǎng)和流程集成上更順手尤其是和CFD工具聯(lián)動(dòng)時(shí)。我自己個(gè)人習(xí)慣是線性工況統(tǒng)一用Abaqus Standard跑碰撞擠壓類工況用LS-DYNA跑。這兩套求解器之間的模型共享我一般通過(guò)HyperMesh做前處理轉(zhuǎn)換網(wǎng)格和連接單元提前統(tǒng)一命名避免轉(zhuǎn)換時(shí)丟失屬性。如果你是新手不建議Abaqus、ANSYS、Nastran同時(shí)上手先吃透一款通用求解器和一款顯式求解器比貪多嚼不爛強(qiáng)得多。2.2 材料參數(shù)別直接照抄手冊(cè)材料參數(shù)是仿真準(zhǔn)確性的地基但恰恰是這一環(huán)被很多人忽略。電池包箱體常用材料是6061-T6鋁型材和鋁合金壓鑄件這兩種材料雖然都叫鋁合金但在鑄造缺陷、延伸率、疲勞特性上差異非常大。手冊(cè)上的屈服強(qiáng)度240MPa、抗拉強(qiáng)度290MPa是標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)實(shí)際零部件要考慮6%左右成形減薄和焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度退化。所以拿到一個(gè)鋁型材電池包項(xiàng)目我第一件事是向材料工程師或者供應(yīng)商索取材料實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線而不是用手冊(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于壓鑄件還要考慮氣孔分布的影響評(píng)估時(shí)安全系數(shù)通常要取得更保守一些。下面這張表是我在項(xiàng)目里常用的參考參數(shù)注意這只是參考具體值必須結(jié)合實(shí)測(cè)曲線來(lái)定。材料屈服強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度(MPa)延伸率(%)備注6061-T6鋁型材24029010~12焊接區(qū)和TIG焊后性能下降熱影響區(qū)按母材80%評(píng)估鋁合金壓鑄A356180~220250~2905~8氣孔、縮松會(huì)降低疲勞壽命安全系數(shù)需額外加嚴(yán)DC01冷軋鋼板260~320320~40022~25常用于支架類件注意電泳前氫脆風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)膠(環(huán)氧類)20~3030~401~2粘接剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度差異大按剝離工況校核2.3 膠粘劑和連接件的模擬方式電池包里的結(jié)構(gòu)膠、導(dǎo)熱膠、鉚接、螺栓、焊點(diǎn)每一種連接在仿真里都有自己的模擬方式選錯(cuò)了就是白算。結(jié)構(gòu)膠和導(dǎo)熱膠我習(xí)慣用實(shí)體的薄層加內(nèi)聚力模型來(lái)模擬可以較好地反映脫粘和剝離過(guò)程螺栓連接在重點(diǎn)關(guān)注某幾個(gè)關(guān)鍵安裝點(diǎn)時(shí)用實(shí)體螺栓帶螺紋和預(yù)緊力一般位置用RBE2加梁?jiǎn)卧娲涂梢院更c(diǎn)在靜力學(xué)工況下只要不會(huì)發(fā)生破壞用綁定約束就夠但如果在疲勞工況或碰撞工況下我會(huì)換成帶失效判據(jù)的焊縫單元。這一塊看起來(lái)瑣碎但連接的剛度直接決定模組的載荷路徑。我見(jiàn)過(guò)有人把所有連接全部簡(jiǎn)化為綁定結(jié)果某個(gè)薄弱支架的應(yīng)力差了幾倍量產(chǎn)開(kāi)裂后才回頭看是簡(jiǎn)化過(guò)頭了。連接模擬的原則是載荷路徑上的關(guān)鍵連接盡量精細(xì)非關(guān)鍵連接可以簡(jiǎn)化但必須簡(jiǎn)化得可解釋、可追溯不要把簡(jiǎn)化當(dāng)成偷懶的借口。3. 建模與網(wǎng)格劃分的實(shí)操細(xì)節(jié)3.1 幾何清理是前處理的重頭戲電池包模型從CAD過(guò)來(lái)之后十有八九帶著圓角、小孔、翻邊、加強(qiáng)筋這一類細(xì)節(jié)。直接拿去畫(huà)網(wǎng)格不僅網(wǎng)格量暴漲而且很多小特征會(huì)生成畸形單元后期重新計(jì)算反而更慢。我通常的流程是先做幾何清理小于一定尺寸的圓角直接去除非功能性的螺栓孔填平配合面的翻邊保留但在局部做網(wǎng)格加密。清理到什么程度合適核心標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)估對(duì)象要保留非評(píng)估對(duì)象要盡量簡(jiǎn)化。箱體底板和側(cè)板是主要承載件所有影響載荷路徑的加強(qiáng)筋必須保留頂蓋上的防爆閥安裝孔、高壓連接器安裝孔必須保留因?yàn)檫@些都是應(yīng)力集中源。反過(guò)來(lái)說(shuō)頂蓋上的一些定位銷孔、無(wú)承載作用的線束卡扣孔在強(qiáng)度工況里對(duì)結(jié)果影響微乎其微直接填平可以明顯減少網(wǎng)格數(shù)量。幾何清理花的時(shí)間往往比畫(huà)網(wǎng)格還多很多工程師耐不住性子隨手抽中面就開(kāi)始畫(huà)。我的建議是寧可多花半天把幾何整理干凈也不要讓畸形網(wǎng)格在后處理階段浪費(fèi)你一周。3.2 網(wǎng)格類型與質(zhì)量控制電池包箱體以薄壁鈑金和鋁型材為主大部分區(qū)域用殼單元就夠了典型網(wǎng)格尺寸在5到8mm之間。拐角、安裝孔、連接點(diǎn)附近要細(xì)化到2到3mm確保應(yīng)力梯度能算出來(lái)。電芯和模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)則用六面體或二階四面體局部接觸區(qū)再做一層或多層過(guò)渡。網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)方面我在提交計(jì)算前必查四項(xiàng)翹曲度、歪斜度、雅可比、最小邊長(zhǎng)。殼單元翹曲度一般控制在15度以內(nèi)實(shí)體單元的歪斜度控制在0.8以上雅可比大于0.6最小邊長(zhǎng)不低于0.2mm。這幾個(gè)值沒(méi)有達(dá)標(biāo)的話應(yīng)力結(jié)果在畸變區(qū)會(huì)出現(xiàn)虛假峰值排查起來(lái)特別費(fèi)時(shí)間。質(zhì)量指標(biāo)殼單元標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體單元標(biāo)準(zhǔn)影響翹曲度(Warpage)≤15°≤20°過(guò)大導(dǎo)致單元?jiǎng)偠冗^(guò)高應(yīng)力偏差歪斜度(Skew)≥0.6≥0.8過(guò)小導(dǎo)致單元?jiǎng)偠染仃嚠惓Ｑ趴杀?Jacobian)0.60.6負(fù)值代表單元翻轉(zhuǎn)計(jì)算會(huì)失敗最小邊長(zhǎng)≥0.2mm≥0.2mm過(guò)小導(dǎo)致穩(wěn)定時(shí)間步變小計(jì)算變慢3.3 接觸和界面設(shè)置電池包的箱體和模組、模組和蓋板之間存在大量貼合面。這些面在裝配狀態(tài)是用結(jié)構(gòu)膠或者泡棉填充的但仿真里如果每個(gè)貼合面都做實(shí)體膠層建模計(jì)算成本會(huì)高得離譜。我的做法是主要承力膠層建實(shí)體薄層其余貼合面用硬接觸加摩擦系數(shù)0.3左右的摩擦接觸來(lái)模擬。膠結(jié)區(qū)域與接觸區(qū)域的邊界我會(huì)用節(jié)點(diǎn)集和面集提前整理好方便后續(xù)在結(jié)果里單獨(dú)讀取膠層應(yīng)力。在顯式動(dòng)力學(xué)工況里接觸設(shè)置更是決定成敗的關(guān)鍵。接觸穿透、初始過(guò)盈、接觸面法向定義錯(cuò)方向這三類問(wèn)題在LS-DYNA里幾乎每天都能遇到。我的經(jīng)驗(yàn)是每個(gè)裝配體在跑正式工況之前先做一個(gè)空載重力檢查或接觸穿透檢查觀察接觸力是否均勻、有沒(méi)有應(yīng)力集中點(diǎn)。接觸設(shè)置不規(guī)范導(dǎo)致的模型發(fā)散遠(yuǎn)比你想象的多這一步省不得。4. 關(guān)鍵載荷工況的仿真實(shí)現(xiàn)4.1 模態(tài)分析抓第一階電池包模態(tài)分析的目標(biāo)很明確找一階彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率看它們有沒(méi)有落在路面激勵(lì)和電機(jī)激勵(lì)的頻帶內(nèi)。路面激勵(lì)一般在20到25Hz以下電機(jī)和減速器的高頻激勵(lì)范圍比較大但常見(jiàn)問(wèn)題集中在幾十到幾百赫茲。我做模態(tài)分析時(shí)的約束條件就是把電池包與車身實(shí)際安裝點(diǎn)加固定約束或者加等效彈簧單元模擬車身安裝剛度。目標(biāo)頻率一般要求第一階彎曲模態(tài)高于30Hz具體項(xiàng)目以整車目標(biāo)分解為準(zhǔn)。算完之后如果頻率不夠優(yōu)先調(diào)整箱體的縱梁截面、底板厚度和橫梁布置這幾個(gè)參數(shù)的靈敏度最高。模態(tài)分析的另一個(gè)細(xì)節(jié)是不要漏掉內(nèi)部大質(zhì)量部件。BMS、高壓配電盒、冷卻液本身的質(zhì)量對(duì)整包模態(tài)影響很大。冷卻液要按實(shí)際液位填充等效質(zhì)量不能當(dāng)作空腔處理這個(gè)細(xì)節(jié)我吃過(guò)虧差的話一階頻率能偏出3到4Hz直接導(dǎo)致項(xiàng)目目標(biāo)不達(dá)標(biāo)。4.2 隨機(jī)振動(dòng)用PSD別用正弦掃頻整車廠給定的電池包振動(dòng)載荷通常是功率譜密度PSD形式。隨機(jī)振動(dòng)分析里很多人容易混淆正弦掃頻和PSD的區(qū)別。正弦掃頻是確定性的單頻輸入PSD則是統(tǒng)計(jì)意義上的隨機(jī)載荷評(píng)估方式也不同。隨機(jī)振動(dòng)出來(lái)的結(jié)果不是應(yīng)力峰值而是均方根應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差疲勞評(píng)估要用三西格瑪準(zhǔn)則結(jié)合S-N曲線。PSD分析里最容易出現(xiàn)的坑是邊界條件設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致求出來(lái)的Grms偏大。功率譜密度輸入的方向要和實(shí)際安裝方向一致約束點(diǎn)如果是剛性固定往往會(huì)把連接處的局部應(yīng)力抬高到不真實(shí)水平此時(shí)需要在連接處引入局部柔度或襯套剛度。在實(shí)際項(xiàng)目中整車給的安裝點(diǎn)約束往往有彈性襯套直接固定約束屬于偏保守做法但如果保守到每一處連接都應(yīng)力超標(biāo)就要回到邊界條件里懷疑問(wèn)題。4.3 沖擊工況的波形與響應(yīng)機(jī)械沖擊臺(tái)架試驗(yàn)通常采用半正弦波比如25g/15ms或者50g/6ms。仿真里可以用顯式動(dòng)力學(xué)做瞬態(tài)分析也可以提取沖擊響應(yīng)譜做等效靜力疊加。如果做瞬態(tài)分析阻尼設(shè)置、時(shí)間步長(zhǎng)和沖擊波形的離散精度都會(huì)影響結(jié)果。我通常會(huì)把半正弦波形至少分成200個(gè)時(shí)間點(diǎn)關(guān)鍵連接處的網(wǎng)格細(xì)化到2mm以內(nèi)確保應(yīng)力波傳播過(guò)程的峰值能被捕獲到。等效靜力法則簡(jiǎn)單得多但需要根據(jù)沖擊譜的放大倍數(shù)做動(dòng)態(tài)放大系數(shù)修正否則會(huì)低估過(guò)載。在項(xiàng)目時(shí)間緊的時(shí)候我常用等效靜力法做前期拓?fù)浜Y選用瞬態(tài)法對(duì)最終方案進(jìn)行驗(yàn)證兩種方法互為校驗(yàn)。瞬態(tài)法的結(jié)果通常比等效靜力法更接近實(shí)際但計(jì)算資源消耗也更大怎么取舍要看你的項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)和算力情況。4.4 擠壓與底部托底工況電池包的擠壓工況主要是側(cè)面擠壓、底部托底和碎石沖擊。這些工況的仿真必須用顯式動(dòng)力學(xué)因?yàn)樯婕敖佑|穿透和大變形材料要定義失效模型和應(yīng)變率效應(yīng)。底部托底工況時(shí)底部護(hù)板要能通過(guò)塑性變形吸收能量不能出現(xiàn)尖銳的穿透?jìng)诫娦驹u(píng)估時(shí)重點(diǎn)看護(hù)板下方電芯區(qū)域的侵入量是否小于安全閾值。這類顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算的穩(wěn)定時(shí)間步通常很小模型過(guò)大會(huì)非常慢。我的經(jīng)驗(yàn)是先做一個(gè)局部模型把托底沖擊區(qū)域細(xì)化箱體其余部分保留粗網(wǎng)格和可變形體這樣計(jì)算時(shí)間能減少一半以上且精度損失在可接受范圍內(nèi)。碰撞工況的材料應(yīng)變率效應(yīng)也不能忽視鋁型材在高應(yīng)變率下屈服強(qiáng)度會(huì)上漲如果按準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入結(jié)果會(huì)偏保守但可能保守到無(wú)法指導(dǎo)設(shè)計(jì)。5. 結(jié)果評(píng)估、優(yōu)化與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)5.1 安全系數(shù)的評(píng)估口徑結(jié)果出來(lái)之后最核心的一步是評(píng)估。對(duì)于鋁型材箱體靜強(qiáng)度通常要求局部應(yīng)力不超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的65%到80%這取決于載荷的保守程度和失效風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于焊點(diǎn)、鉚接點(diǎn)這類局部特征安全系數(shù)往往取到2.0以上。具體到應(yīng)力提取我強(qiáng)烈建議區(qū)分膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力在殼體單元里各自輸出截面應(yīng)力。箱體抗疲勞性能評(píng)價(jià)依賴的是總應(yīng)力范圍但峰值位置是否是真實(shí)結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)要結(jié)合應(yīng)力梯度和約束狀態(tài)一起判斷不要看到紅色云圖就緊張。評(píng)估對(duì)象靜強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)備注箱體母材(鋁型材)≤0.65~0.8倍屈服強(qiáng)度三西格瑪σ/疲勞極限0.8注意截面膜應(yīng)力為主焊點(diǎn)/焊縫≤0.5倍焊縫強(qiáng)度按等級(jí)取2.0以上安全系數(shù)熱影響區(qū)按母材80%螺鉚接點(diǎn)≤0.7倍連接件強(qiáng)度≥1.5~2.0注意預(yù)緊力衰減膠層剝離應(yīng)力≤剝離強(qiáng)度—避免膠層受拉剪復(fù)合高應(yīng)力5.2 輕量與優(yōu)化方向結(jié)構(gòu)仿真的另一個(gè)價(jià)值是給輕量化提供方向。電池包減重不是靠拍腦袋換材料而是靠靈敏度分析找載荷路徑中最不合理的部分。我常用的手段是拓?fù)鋬?yōu)化加尺寸優(yōu)化兩步走先對(duì)箱體底面做大范圍拓?fù)鋬?yōu)化找材料布局再對(duì)關(guān)鍵筋條的高、厚做尺寸優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化階段要把制造約束寫(xiě)清楚比如拔模方向、最小壁厚、對(duì)稱約束否則優(yōu)化出來(lái)的形狀根本無(wú)法鑄造或擠出成型。我試過(guò)在某款電池包上通過(guò)調(diào)整側(cè)壁加強(qiáng)筋的高度和底部縱梁的厚度減重了約9%且整包一階模態(tài)頻率不降反升。秘訣是把加強(qiáng)筋布置在應(yīng)變能密度高的區(qū)域讓材料成為載荷路徑的一部分而不是簡(jiǎn)單加厚。這個(gè)思路說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單但實(shí)現(xiàn)起來(lái)要對(duì)每個(gè)載荷工況的應(yīng)變能密度分布做逐項(xiàng)分析不能只看某一個(gè)工況的結(jié)果。5.3 仿真與臺(tái)架試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)仿真做得再漂亮如果跟臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)不上設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)是不會(huì)買單的。我的對(duì)標(biāo)工作分為三塊模態(tài)對(duì)標(biāo)、應(yīng)變/變形對(duì)標(biāo)、失效模式對(duì)標(biāo)。模態(tài)對(duì)標(biāo)用錘擊法測(cè)前幾階頻率和振型應(yīng)變測(cè)試在關(guān)鍵安裝點(diǎn)貼應(yīng)變片對(duì)比隨機(jī)振動(dòng)下的應(yīng)力譜失效對(duì)標(biāo)則通過(guò)振動(dòng)耐久臺(tái)架和擠壓試驗(yàn)對(duì)比開(kāi)裂位置和仿真預(yù)測(cè)的應(yīng)力集中位置。這里有個(gè)經(jīng)驗(yàn)要分享仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)時(shí)頻率誤差在5%以內(nèi)屬于優(yōu)秀誤差超過(guò)10%就要懷疑建模簡(jiǎn)化過(guò)頭了。最常見(jiàn)的誤差來(lái)源是連接剛度設(shè)置不正確、邊界約束過(guò)強(qiáng)、以及材料屬性取值過(guò)于理想按這三條排查基本能解決八成以上的對(duì)不上的問(wèn)題。應(yīng)變對(duì)標(biāo)時(shí)要注意應(yīng)變片的貼片位置和方向是否和仿真提取的單元積分點(diǎn)一致方向差一點(diǎn)數(shù)據(jù)就對(duì)不上。5.4 別忘了光窗口和低壓照明這類小結(jié)構(gòu)在很多電池包上會(huì)布置低壓維修照明燈或指示燈LED這些部件在封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的光路通常用光學(xué)仿真軟件比如lighttools去設(shè)計(jì)以確保光斑和亮度符合規(guī)范。但光路仿真只解決光學(xué)問(wèn)題透光罩、觀察窗和LED固定支架的力學(xué)可靠性仍然要回到結(jié)構(gòu)仿真的范疇里校核。我見(jiàn)過(guò)真實(shí)案例一個(gè)透光罩在光路設(shè)計(jì)上完全達(dá)標(biāo)結(jié)果在隨機(jī)振動(dòng)耐久測(cè)試中斷裂原因是支架剛度不足、振動(dòng)放大倍數(shù)過(guò)高。所以在電池包結(jié)構(gòu)仿真中凡是出現(xiàn)開(kāi)孔、透窗、異種材料連接的位置不管部件多小都要單獨(dú)做局部模態(tài)和振動(dòng)應(yīng)力檢查不要因?yàn)樾【褪÷耘_(tái)架試驗(yàn)專門(mén)挑這些小件出問(wèn)題。這類小結(jié)構(gòu)的失效往往不會(huì)直接引發(fā)電安全風(fēng)險(xiǎn)但維修時(shí)的拆裝體驗(yàn)和整包密封性都會(huì)受影響質(zhì)量整改成本非常高。6. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄6.1 負(fù)體積和網(wǎng)格畸變顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算中最常見(jiàn)的錯(cuò)誤是單元負(fù)體積尤其是泡沫材料、橡膠墊和軟膠層。出現(xiàn)負(fù)體積我首先檢查該區(qū)域網(wǎng)格有沒(méi)有過(guò)大的長(zhǎng)寬比軟材料在壓縮變形中很容易翻轉(zhuǎn)需要通過(guò)均勻化和控制最小邊長(zhǎng)來(lái)修復(fù)。其次是檢查接觸參數(shù)穿透過(guò)深也會(huì)導(dǎo)致局部單元被壓崩塌。如果負(fù)體積出現(xiàn)位置在結(jié)構(gòu)膠層我還會(huì)懷疑膠層的材料模型定義有沒(méi)有問(wèn)題。超彈材料在沒(méi)有做穩(wěn)定性檢查的情況下在大應(yīng)變階段經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的切向剛度導(dǎo)致單元瞬間外翻。處理手段是給膠層單元加一層沙漏控制或者改用更穩(wěn)定的粘彈性本構(gòu)。6.2 線性求解不收斂Abaqus Standard里最常遇到的是接觸和材料非線性不收斂。排查思路是從簡(jiǎn)到繁先關(guān)掉接觸看純幾何線性問(wèn)題能不能收斂再把接觸打開(kāi)檢查初始穿透量最后檢查材料參數(shù)尤其是膠層和超彈材料有沒(méi)有定義數(shù)值穩(wěn)定性。實(shí)際工程里很多不收斂問(wèn)題都出在初始穿透上前處理階段把穿透清干凈比改任何求解器參數(shù)都有效。還有一種情況是局部屈曲導(dǎo)致的不收斂。薄壁沖壓支架在極限載荷下發(fā)生局部屈曲非線性求解器因?yàn)閯偠冗^(guò)零而發(fā)散。遇到這種問(wèn)題要在后處理里查看上一分析步的變形模式判斷屈曲是先于應(yīng)力超標(biāo)發(fā)生還是后于應(yīng)力超標(biāo)發(fā)生。如果是后者結(jié)構(gòu)本身沒(méi)問(wèn)題只是數(shù)值上跨過(guò)臨界點(diǎn)困難可以引入微小幾何缺陷來(lái)幫助求解器越過(guò)后屈曲路徑。6.3 模態(tài)頻率明顯偏低模態(tài)頻率偏低一般有三類原因材料密度給大了、連接剛度模擬太弱、邊界約束遺漏了。我有個(gè)習(xí)慣在做整包模態(tài)之前先做簡(jiǎn)單的解析估算把箱體按等效梁模型粗略算一個(gè)一階彎曲頻率的期望范圍然后跟仿真結(jié)果對(duì)比。如果差出30%以上大概率是模型某個(gè)地方漏了剛度貢獻(xiàn)。還有一個(gè)容易被忽視的原因是冷卻液質(zhì)量。前面提過(guò)冷卻液要按實(shí)際液位等效如果用空腔模型整包質(zhì)量變小頻率自然偏高如果液位給多了頻率又偏低。這個(gè)參數(shù)和不同SOC、不同溫度下的電芯質(zhì)量分布還要再核對(duì)仿真報(bào)告里要寫(xiě)清楚質(zhì)量矩陣的統(tǒng)計(jì)來(lái)源。6.4 仿真與試驗(yàn)老是差一截最后說(shuō)一個(gè)我踩過(guò)多次的坑試驗(yàn)對(duì)標(biāo)時(shí)不要只用單測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比。不同測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)受局部安裝方式和線纜影響很大單點(diǎn)對(duì)比很容易誤判。我更推薦用MAC值來(lái)對(duì)比振型相關(guān)性同時(shí)多看幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)對(duì)。電池包臺(tái)架振動(dòng)時(shí)線纜固定走向也會(huì)影響局部剛度仿真里如果把這些忽略掉高頻段的偏差會(huì)非常明顯。在線纜走向的建模上如果想精細(xì)處理可以用梁?jiǎn)卧淤|(zhì)量點(diǎn)近似但模態(tài)對(duì)標(biāo)階段通常不需要這么細(xì)致先把主要連接剛度和質(zhì)量分布校核到位高頻段偏差是可以接受的。如果你的項(xiàng)目要求覆蓋到500Hz以上那就得把線纜、接插件、低壓線束的分布剛度都考慮進(jìn)去這是相當(dāng)細(xì)碎的建模工作很考驗(yàn)?zāi)托牡_實(shí)能讓高頻段的響應(yīng)曲線貼合度提高不少。這行干久了我最深的體會(huì)是仿真工程師不能只坐在電腦前一定要多去試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)看看樣件是怎么壞的裂紋從哪兒起的。一線信息比任何后處理云圖都值錢(qián)。仿真報(bào)告寫(xiě)一百頁(yè)不如在臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)蹲半天看真實(shí)的破壞路徑和模態(tài)振型來(lái)得直接。希望這篇內(nèi)容能幫你少走點(diǎn)彎路把電池包結(jié)構(gòu)仿真真正做成能指導(dǎo)設(shè)計(jì)、能預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)的工程工具而不是僅僅停留在交差層面的計(jì)算報(bào)告。