車(chē)載動(dòng)力電池包在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中承受著振動(dòng)載荷的持續(xù)作用，因此振動(dòng)試驗(yàn)是電池包可靠性試驗(yàn)中的重要部分。動(dòng)力電池包作為電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能裝置，在可靠性發(fā)生失效的情況下，尤其是當(dāng)一些關(guān)鍵部件或結(jié)構(gòu)失效（例如出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂等情況）時(shí)，電池單體或者模組將發(fā)生位移、晃動(dòng)或者被擠壓的情況，這將進(jìn)一步造成相關(guān)部件的加速損壞，導(dǎo)致漏電或者采樣傳感器的失效，甚至誘發(fā)電池性能衰減，管理系統(tǒng)失效、電能中斷或起火爆炸等情況的發(fā)生。因此動(dòng)力電池包的振動(dòng)試驗(yàn)也與安全性緊密相關(guān)，一直是動(dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。本文利用通用疲勞壽命分析軟件Alphatigue進(jìn)行電池包的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析。

1.有限元仿真模型

頻率響應(yīng)分析采用MSC.Nastran求解，分析模型的殼單元采用CQUAD4和CTRIA3單元模擬，各部件之間通過(guò)RBE2進(jìn)行連接，模型總計(jì)18473個(gè)單元和18622個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

         

圖1 車(chē)載動(dòng)力電池包的有限元模型

2.電池包隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析流程的模塊卡片組搭建

選擇Alphatigue圖形界面的方式快速搭建隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析流程，如圖2所示。一個(gè)完整的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析流程共分為模型輸入與工況選擇、功率譜密度文件輸入和SN求解器三部分。

圖2針對(duì)電池包隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析流程的模塊卡片組

3.工況選擇

電池包有限元分析模型共包含PSHELL_1和PSHELL_2兩個(gè)Section，如圖3所示。加載位置為電池包與車(chē)體連接點(diǎn)位置。

圖3 選擇有限元模型中的分析對(duì)象

4.功率譜文件輸入

設(shè)置完計(jì)算工況之后，需要輸入隨機(jī)振動(dòng)疲勞疲勞計(jì)算的載荷譜，本實(shí)驗(yàn)選擇IS0 12405-1標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)縱向z方向做隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，縱向z方向的PSD值如表1所示。

表1 z軸PSD值

Frequency[Hz]	PSD[g^2/Hz]	PSD[(m/s^2)^2/Hz]
5	0.05	4.81
10	0.06	5.77
20	0.06	5.77
200	0.0008	0.08
RSM	1.44g	14.13m/s^2

在隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析中，FRF與PSD必須是相同的單位表示。例如，如果PSD以g^2/Hz為單位，則FRF應(yīng)表示在頻率范圍內(nèi)對(duì)1g負(fù)載的頻率響應(yīng)。

輸入完功率譜密度文件后還需對(duì)PSD隨機(jī)振動(dòng)分析進(jìn)行設(shè)置，如圖4所示。電池包的隨機(jī)振動(dòng)的壽命估計(jì)采用Dirlik方法，該方法是通過(guò)運(yùn)用蒙特卡羅（Monte Carlo）技術(shù)做大量的計(jì)算機(jī)模擬，得出頻域信號(hào)疲勞分析法的經(jīng)驗(yàn)閉合解。Dirlik給出的經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)被證明精度足夠，在工程上經(jīng)常采用。測(cè)試時(shí)間為21個(gè)小時(shí)，即75600秒。

圖4. PSD隨機(jī)振動(dòng)分析設(shè)置

5.SN分析模塊中的參數(shù)設(shè)置

最后需要對(duì)SN求解器中的疲勞分析參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖5所示。需要將通道與輸入的功率譜進(jìn)行匹配，并選擇需要進(jìn)行疲勞分析的Section的疲勞材料卡。兩個(gè)Section的材料牌號(hào)分別是：Steel_UML_UTS900和Al_Alloy_UML_UTS200。Alphatigue軟件內(nèi)含超過(guò)500種材料和連接工藝的疲勞曲線，操作時(shí)需在“Mat Map”設(shè)置框內(nèi)為不同的Section選擇對(duì)應(yīng)的疲勞材料卡。設(shè)置疲勞分析流程的參數(shù)，其中分析方法選擇“標(biāo)準(zhǔn)SN法”，應(yīng)力組合方式為“Abs MaxPrincipal”。

圖5 SN求解器參數(shù)設(shè)置

6.分析結(jié)果

計(jì)算完成后，軟件將自動(dòng)輸出結(jié)果文件。任務(wù)的后處理可以在Alphatigue自帶的后處理模塊中進(jìn)行，包括分析結(jié)果的可視化查看、分析結(jié)果文件的導(dǎo)出等。同時(shí)也可以選用其他通用后處理軟件打開(kāi)，如Metapost軟件，以查看塔包的損傷分布情況，如圖6所示。最大損傷位于電池包與支架相連的部位，損傷(Damage)為0.11，壽命(Repeats)為8.81。

A:Meta后處理視圖

B：Alphatigue后處理模塊試圖

圖6 電池包隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析結(jié)果

7.基于nCode的電池包隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命對(duì)比分析

基于本文所述的參數(shù)和分析方法，利用nCode對(duì)塔包進(jìn)行基于實(shí)際道路載荷信號(hào)的疲勞壽命分析，計(jì)算流程如圖8所示

圖7 nCode電池包隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析Flow

結(jié)果顯示，最大損傷（Damage）為0.1172，壽命（Repeats）為8.532。基于nCode獲得的結(jié)果與Alphatigue軟件的結(jié)果接近，其疲勞損傷分布如圖8所示。

圖8 nCode電池包隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析結(jié)果

8.結(jié)語(yǔ)

疲勞問(wèn)題一直是汽車(chē)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)，影響疲勞壽命的因素較多且不易控制。本文基于Alphatigue軟件，以電池包仿真模型為基礎(chǔ)，分析了其在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的疲勞壽命。結(jié)果表明，該型電池包的疲勞性能滿足設(shè)計(jì)要求。

文章來(lái)源：疲勞壽命分析技術(shù)