电池包静态冲击分析：不同求解器对比研究

1 背景及意义

汽车在行驶过程中会受到各种冲击载荷的作用，如道路不平、过减速带、拱桥等。电池包作为动力系统并作为整车主要的承载部件，其强度影响着整车安全性能。因此在电池包结构设计中，需考虑电池包机械冲击工况。动态冲击工况对应的国标为GB/T31467.3－2015《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》。本文主要讲解静态冲击。

静态冲击工况应用静力学分析，其计算效率较高，根据仿真结果可对其结构性能进行预测以达到改进优化设计方案的目的。

在企业中此工况应用较少，现状多以国标为标准。

2 应用的软件

应用hypermesh软件进行前处理，应用optistruct和abaqus软件进行分析对比。

3 分析流程

3.1 前处理

针对网格划分及模型的简化处理应根据不同的分析工况及关注点进行合理简化。

3.2 前处理基本要求

1、对于电池包上的钣金件，抽中面画成2D网格，尽量减少三角形的数量，尽量不要出现三角形单元相邻；

2、保留主要的几何型线，网格要与几何保持良好的贴合；

3、对于横跨纵向中心面的部件，用纵向中心面把它分割成两部分，对称部件以及对称结构要求对称网格；

4、板架、实体连接等铸件采用solid单元模拟；

5、每个零件的单元法向必须一致；

6、每个零件的单元应连续，自由边只能出现在零件的实际边界上；

7、整个网格模型不允许出现初始穿透。

3.3 1D网格质量

1D单元主要包括刚性单元、弹簧阻尼单元等。检查项目包括：

1、free 1d’s1D  检查单元是否存在自由端；

2、rigid loops   检查刚性单元是否形成环；

3、dependency  检查刚性单元是否有双重依赖性。

3.4 2D单元

单元基本尺寸可用5mm划分

2D网格检查界面：

3.5 模型简化方式

模型简化需根据不同分析工况进行合理简化，此部分根据案例模型简单介绍。

1、螺栓的处理

在hypermesh中用刚性单元进行连接。在optistruct求解器中单元类型为rb2，在abaqus求解器中单元类型为COUP—KIN，亦可用TIE。

螺栓位置如上

简化成刚性连接

2、模组钉处理

模组钉在结构中增强整体刚度并起到模组固定连接作用，其为整体结构中关键部位。因此不能按照普通螺栓简化方式进行刚性处理，经仿真与对标测试，其结果与实际相差很大。可正常划分结构网格后进行处理。

模组钉

模组钉划分六面体网格并进行刚性连接

3、焊点

焊点类型采用ACM方法中较为流行的RBE3-HEXA-RBE3单元进行模拟，即采用六面体实体单元模拟焊核并用RBE3单元抓取周围节点的形式模拟点焊工艺。

两层焊

三层焊

4、模组钉与下壳体的处理

本例分析为静态冲击工况，依照先验经验应力最大位置易发生在模组钉与下壳体连接处，根据工况需求为得到更为有效的结果，需注意简化方式，需避免刚性单元使用对结果造成的应力失效。因此在连接时只能连接到套管位置不可连接到下壳体。

连接位置如上

应用刚性连接

3.6 工况分析

1、对结构吊耳处用刚性单元进行耦合后对主节点实际约束

2、在optistruct求解器下施加25G重力场,创建GRAV类型载荷集。其中N1、N2、N3代表X、Y、Z三个方向。G为比例参数，实际载荷大小为G*N。25G重力场依据国标动态冲击最大值加载。

3、在Abaqus软件中施加25G重力场，直接在载荷中选取Gravity载荷类型，在Z方向输入25G加速度，经过换算为245000mm/S²。

4 后处理

4.1 结果分析

将optistruct应力结果和abaqus应力结果分别导入到后处理hyperview中。应力处理方式选择NONE（即不对应力做处理）。左为optstruct应力结果、右为abaqus应力结果。

其中optistruct应力最大位置为节点78776处，应力为424.2Mpa。

Abaqus应力最大位置节点78776，应力为462.2Mpa。

4.2 Hyperview后处理方式

Hyperview对应力有三种处理方式，分别为Simple Averaging、Advanced Averaging、Difference。其每种处理方式处理算法不同。Hyperview默认不做处理，而工程中常用Advanced Averaging进行处理。

1、Simple Averaging

平均处理之前，就已经提取出张量组（tensor）、矢量组（vector）以及计算出不变式（invariants）。从每个单元角点提取出的同类的张量组或矢量组，然后再进行平均计算；对于不变式来说也是这样先提取，再进行平均处理。

如上图所示，在节点 400 处的四个角点有四组张量[A2]，[B1]，[C3]，[D4]。那么该点处的某一 xx 组的均值为：

R_xx=([A2]_xx+[B1]_xx+[C3]_xx+[D4]_xx)/4

以不变式取 Von Mises 为例，那么节点400的Von Mises 结果即为四个角点的 Von Mises均值为：

R_xx=([A2]_VonMises+[B1]_VonMises +[C3]_VonMises +[D4]_VonMises)/4

2、Advanced Averaging

在高级（advanced）平均方法下，首先将张量（矢量）结果转化到同一个变坐标系（consistent system）下，然后对每个组单独进行平均处理以获得平均张量（矢量）。再根据平均张量（矢量）计算不变式。不变坐标系可以是全局坐标系或者自定义坐标系。对壳单元来说，可以是节点投影坐标系，即由投影准则描述的在节点投影平面上的全局坐标系或者自定义坐标系。上图所示的节点 400 的张量为：

[R400]_rc=([A2]_rc+[B1]_rc +[C3]_rc +[D4]_rc)/4

其中[A2]_rc、[B1]_rc 、[C3]_rc 、[D4]_rc 是从角点 A2，B1，C3，D4 分别投影到指定坐标系下的张量。

3、Difference

Difference 方法用来描述某一节点上最大角点值和最小角点值之间的差异。对张量（矢量）组来说，从不同的单元中提取该节点上的同类参数进行差异性计算。对不变式来说也是如此。对图一的例子来说，节点 400 处的张量  xx为：

R_xx=R_xxmax-R_xxmin

其中：

     R_xxmax=max{A2xx，B1xx，C3xx，D4xx}

R_xxmin=min{A2_xx，B1_xx，C3_xx，D4_xx}

若四个角点值分别为：200，400，-100，-500，那么 Difference 结果为 900。

4、对optistruct和abaqus应力结果进行Advanced Averaging应力处理后如下图所示。左为optstruct应力结果、右为abaqus应力结果。

其中optistruct应力为320.0Mpa。

Abaqus为343.3Mpa。

4.3 结论

两种不同求解器在前处理模型和工况一致的情况下，其最大应力点一致、分析结果有约10%差异，其中abaqus计算结果较大。对于众多分析软件，在保证前处理一致情况下，依作者之经验optistruct和nastran计算结果基本一致，其他软件比如dyna、abaqus、workbench等等结果均有些许差异。可能造成的差异原因首先考虑是不同单元类型造成的差异、其次模型连接与接触等装配的软件处理方式不同造成的差异、最后考虑为软件内嵌计算原理（此部分计算原理不为外人所知）。

通过应力方法处理后其最大受力点有所改变，受力趋势更接近实际工况。

在强度工况下，通常评判标准为不超过材料屈服即认为满足需求。而实际工况通常较为复杂，直白来讲，对于强度工况超过屈服不一定在实际中会破坏，同理不超过屈服也不一定在实际工况中不受到破坏。因此需结合实际工况、对标实验及产品经验进行可靠性分析。

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