一种基于CAE的电池包机械冲击过程的模拟测试方法与流程
本发明涉及电池测试技术领域，尤其涉及一种基于cae的电池包机械冲击过程的模拟测试方法。
背景技术：
近年来，全球新能源汽车发展已经形成了共识，而在新能源汽车中，电池包是新能源汽车的主要载体，其主要作用是为电池包内部的各系统元件提供安装结构，并对各元器件起到保护作用。电池包具有足够的结构稳定性是保证其正常工作的前提，结构的损坏会影响电池包的储备电量和使用寿命。
电池包冲击试验是检测电池包结构稳定性的常见方式之一，电池包样品受25g、15ms的半正弦冲击波，z轴方向冲击三次，通过检查其有无电解液泄露、着火或爆炸等现象来判断产品是否合格。由于冲击试验只能在制作出电池包样品后进行，所以在整个产品的研发周期中需要反复制样，这将会耗费大量人力、物力和时间。并且冲击试验只能得到受突然机械冲击后的结果，不能准确分析得到受机械冲击过程中的应力、应变和位移的空间分布及它们随时间的变化情况和设计缺陷，以得到更为优化的结构方案。
技术实现要素：
基于cae仿真技术的电池包冲击过程的分析方法不过分依赖产品试样，通过建立电池包有限元分析模型，可计算得到电池包在冲击过程中，其结构上任意点所受应力、应变及位移随时间的变化关系，进而通过分析结构受力与形变量是否在合理的变化范围内来判断电池包结构的稳定与否。在研发周期内，以修改仿真模型代替反复制样，能节省较多的资源和时间。
为此，本发明提供一种基于cae的电池包机械冲击过程的模拟测试方法，包括以下步骤：
构建电池包的有限元模型，并根据所述电池包的情况设置所述有限元模型的参数；
设置接触边界条件，进行载荷施加；
显式求解所述有限元模型的速度、加速度和位移，并计算所述有限元模型各部件在不同时间的应力和等效塑性应变情况，以此判断各部件是否满足冲击计算要求。
在一些实施例中，作为优选，所述构建电池包的有限元模型包括将电池包三维几何模型导入有限元分析软件，并进行处理；
所述处理包括：
对于质量较小的零件，在仿真分析中将其忽略；
对建立的电池包的三维结构中点、线、面、角的结构特征进行简化处理；
壳体钣金件及内部固定支架进行抽中面处理，对中面中存在的残缺、碎面特征进行修补；
对建立的三维结构中的不关心局部应力的部分，但无法忽略其质量的零部件用质量点替代。
在一些实施例中，作为优选，所述参数包括有限元网格、有限元模型的形状、各部件的尺寸、各部件的材料属性和各部件的连接关系。
在一些实施例中，作为优选，所述有限元网格所用的网格单元的尺寸为2-8mm；
电池包结构中，板壳类结构的网格模型主要采用四边形单元，且四边形单元占比不小于95％，实体类的网格模型采用六面体单元，非关注区域采用四面体单元；
连接位置附近、圆孔圆角附近，网格容易产生畸变的局部区域，进行局部网格细化。
在一些实施例中，作为优选，在计算时进行质量放大。
在一些实施例中，作为优选，所述质量放大中，质量增加小于等于5％。
在一些实施例中，作为优选，进行载荷施加中，施加加速度激励模拟突然冲击，在与试验台连接的电池包支脚或挂耳连接处，施加加速度载荷。
进一步地，还计算冲击过程中能量的变化关系。
进一步地，所述结果满足以下条件时，得到该部件满足冲击计算要求：
模型部件的最大应力小于材料的抗拉强度；
模型部件的最大等效塑性应变小于材料的伸长率；
电池模组未与箱盖发生碰撞。
进一步地，所述结果未满足冲击计算要求，重新设定电池包壳体或内部连接板的尺寸、厚度、材料中的一个或几个参数或优化结构设计，重新进行模拟测试，至满足冲击计算要求。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
将有限元法运用于电池包冲击过程的分析，克服传统冲击试验法对样品的依赖，减少研发过程中的电池包样品的制样次数，降低对研发硬件的要求，使得设计过程中，很快的找到设计缺陷，优化设计，并减少试验次数，降低设计成本。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了本发明涉及cae仿真流程图；
图2示出了本发明涉及的电池包冲击模型示意图；
图3示出了本发明涉及的3次15ms的半正弦冲击波；
图4示出了本发明涉及的电池包受冲击过程中能量随时间的变化关系；
图5示出了本发明实施例1中涉及的在t为3ms时整体应力云图；
图6示出了本发明实施例1中涉及的在t为6ms时整体应力云图；
图7示出了本发明实施例1中涉及的在t为9ms时整体应力云图；
图8示出了本发明实施例1中涉及的在t为13ms时整体应力云图；
图9示出了本发明实施例1中涉及的提取最大应力的云图；
图10示出了本发明实施例1中涉及的提取最大等效塑性应变的云图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
一种基于cae仿真技术的电池包机械冲击过程的分析方法，如图1所示，具体包括：
(1)三维结构几何模型导入
将包含电池模组、各类电子电器、各连接板及支架结构的电池包三维几何模型导入有限元分析软件。对于质量较小的零件，因其对电池包总体结构应力、应变影响较小，在仿真分析中将其忽略，以减少计算成本，提高计算效率。
(2)有限元模型建立
建立电池包有限元模型(如图2所示)，建立三维笛卡尔坐标系，使得三维坐标系的x轴平行于电池包所在汽车的行驶方向，y轴垂直于行驶方向的水平方向，z轴为高度方向。
①对建立的电池包的三维结构中一些结构特征(如点、线、面、小圆角、倒角等)进行简化处理。
②壳体钣金件及内部固定支架进行抽中面处理，对中面中存在的残缺、碎面特征进行修补。实体等结构件保留主要结构件，去除细小结构，以免产生局部复杂网格增加计算成本。
③对建立的三维结构中一些不关心局部应力，但无法忽略其质量的的零部件用质量点替代，以减少计算量。
(3)划分有限元网格模型
根据实际结构对电池包壳体、电池模组、各类电子电器、各连接板及支架结构建立有限元网格模型。电池包的网格模型所用网格单元的尺寸为2mm～8mm。电池包结构中，板壳类结构的网格模型主要采用四边形单元，且四边形单元占比不小于95％，电器件等实体类的网格模型主要采用六面体单元，非关注区域可采用四面体单元。局部区域如连接位置附近、圆孔圆角附近，网格容易产生畸变，将局部网格细化，将网格加密为原有网格尺寸的1/2，在保证计算效率的同时，尽量提升计算精度。
(4)设置材料属性
根据实际结构设定电池包壳体、电池模组、各类电子电器、各连接板及支架结构的尺寸、厚度、材料属性。
(5)建立连接关系
根据实际工艺，建立各结构间的连接关系，包括点焊、二氧化碳保护焊、缝焊以及螺栓连接、卡接等。连接关系对计算结果精度产生很大的影响，故依照实际连接状态进行模型处理，对于重要传力位置，建立详细模型结构连接，不进行简化处理。
(6)设置“接触”边界条件
在冲击过程中定义接触关系，设置总体的通用接触关系，或在冲击过程中发生接触的面设置“接触对”，以限制结构件之间相互的接触边界约束。
(7)载荷施加
施加加速度激励模拟突然冲击，在与试验台连接的电池包支脚或挂耳连接处，施加z向加速度载荷。例如试验要求冲击工况施加25g、15ms的半正弦冲击波，z轴方向冲击三次，如图3所示，故可设置计算时间为60ms，前45ms施加3次冲击激励，后15ms加速度设为0，留有15ms观察冲击后的影响。3次冲击每次15ms内的半正弦冲击波幅值曲线计算公式如下：
(8)计算求解
采用显式求解较传统的隐式求解，效率更高，因隐式求解存在收敛难度问题，对于复杂带有接触的非线性问题很难快速的收敛得到计算结果，而显式分析则可有效解决这一问题；
采用显式求解，其基于的理论方程如下：显式算法应用中心差分法对运动方程进行显式的时间积分，应用一个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件。在增量步开始时，程序求解动力学平衡方程，即用节点质量矩阵m乘以节点加速度等于节点的合力(在所施加的外力p与单元内力i之间的差值)：
增量步开始时(t时刻)，计算加速度为：
对加速度在时间上进行积分：
即在增量步开始时通过满足动力学平衡条件的加速度，在时间上前推速度和位移。
(9)质量放大
显示求解虽然不存在收敛问题，但计算时间成本过大，通过质量放大可以在不需要人为提高加载速率的情况下降低运算的成本。提高加载速虽也可降低运算成本，但为较不可取方法，因材料的应变率会与加载速率同比例增加，当模型参数随应变率变化时，人为地提高加载速率会人为地改变分析过程。
质量放大基于理论如下：稳定时间增量与材料密度之间的关系为：
但过度进行质量放大，与过度的提高加载速率一样，可能导致错误的结果。故采用质量放大时，要求质量增加小于等于5％。
(10)结果
通过有限元软件系统获取结果并处理，得到的结果进行云图处理或图表显示，主要包括：
①冲击过程中模型整体能量的变化关系图(图4所示)；
②某时刻电池包中系统零部件上应力及位移的分布图；
③电池包中系统零部件的等效塑性应变分布图。
(11)判断冲击计算是否满足要求
读取计算结果，当同时满足以下条件时，认为该部件满足冲击计算要求：
①模型部件的最大应力小于其材料的抗拉强度；
②模型部件的最大等效塑性应变小于其材料的材料伸长率；
③电池模组未与箱盖发生碰撞(通过计算的上述效果图可知)；
计算的某个系统零部件若未满足冲击计算要求，则重新设定电池包壳体或内部连接板的尺寸、厚度、材料中的一个或几个参数或优化结构设计，并重复步骤(2)-(11)。
实施例1
以一款电池包机械冲击cae分析作为实例，本实施中采用abaqus软件完成，步骤如下：
(1)将包含电池模组、各类电子电器、各连接板及支架结构的电池包三维几何模型导入有限元分析软件。对于质量较小的零件，因其对电池包总体结构应力、应变影响较小，在仿真分析中将其忽略。
(2)建立三维笛卡尔坐标系，使得三维坐标系的x轴平行于电池包所在汽车的行驶方向，y轴垂直于行驶方向的水平方向，z轴为高度方向。
①对建立的电池包的三维结构中一些结构特征(如点、线、面、小圆角、倒角等)进行简化处理。
②壳体钣金件及内部固定支架进行抽中面处理，对中面中存在的残缺、碎面特征进行修补。实体等结构件保留主要结构件，去除细小结构。
③对建立的三维结构中一些不关心局部应力，但无法忽略其质量的的零部件用质量点替代。
(3)在有限元软件中建立电池包的有限元网格模型，网格划分时主体采用单元尺寸为6mm，其中钣金结构为壳单元，电池模组及简化电器件为体单元。主体材料为q235，依据实际板厚赋予模型材料属性。
(4)根据实际各个部件之间的关系设定模型内的连接，包括电池包结构的焊接部分、电器件等螺栓连接。
(5)在冲击过程中定义接触关系，设置总体的通用接触关系。
(6)根据实际试验要求冲击工况施加25g、15ms的半正弦冲击波，z轴方向冲击三次，设置计算时间为60ms，前45ms施加3次冲击激励，后15ms加速度设为0，留有15ms观察冲击后的影响，将此激励施加在与试验台固定的支脚上。
(7)求解计算并提取整体应力随时间变化云图，如图5-8，图5中，3ms时最大应力值为123.2mpa，6ms时最大应力值为217.3mpa，9ms时最大应力值为306.9mpa，13ms时最大应力值为222.9mpa。应力最大值在挂耳处出现，可以看出，在3～13ms时间内，应力从支脚与壳体连接处以及内部限位开始逐渐向整体扩散。支脚及壳体局部区域应力集中较强，部分区域最先进入塑性阶段。
(8)以电池包外壳为例，提取其最大应力及最大等效塑性应变，最大应力为236.3mpa如图9，局部区域超过材料屈服应力235mpa，未超过抗拉应力370mpa，最大等效塑性应变0.045％如图10，低于材料伸长率21％，局部发生屈服，破裂失效风险较低。
实际试验中，该电池包在做冲击试验并无破裂变形等情况发生。
说明本发明提供的基于cae的电池包机械冲击过程的模拟测试方法与实际测试无明显差异。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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