汽車電動化、智能化、綠色化發展已成為全球各國應對氣候變化、實現低碳發展的共同選擇。在此背景下，新能源汽車持續高速發展。電池包作為新能源汽車的“心臟”，是其主要動力來源，直接影響車輛的續航里程與行駛安全。電池包結構的安全可靠性對新能源汽車至關重要，同時也是衡量新能源汽車產品競爭力的重要指標之一。

圖1 新能源汽車電池包結構示意圖

汽車在路面行駛時，會遭遇到較為復雜的路面工況，比如顛簸路、補丁路、坑洼路等，這些路面不平度所產生的激勵通過車身傳遞給電池包。為了確保結構不受破壞，電池包必須具備足夠的強度來承受路面的隨機載荷。

通常獲取電池包結構振動特性的途徑包括數值仿真與試驗方法。試驗方法可依據《GB38031-2020電動汽車用動力蓄電池安全要求》進行測試，該國標對于不同類型車輛及振動測試條件等均有明確說明。但試驗方法需要物理樣機，測試過程較長、成本較高。鑒于電池包內部結構復雜，且設計變更頻率較高，因此借助數值仿真的手段可大幅提升產品優化迭代的效率，縮短研發周期，降低測試成本。

電池包隨機振動仿真可用于評估電池包在振動條件是否滿足結構性能要求。這種分析方法有效確保了電池包在汽車正常行駛過程中不產生振動破壞。通過隨機振動仿真，可以識別結構振動風險以及潛在的結構失效位置，進而采取相應的措施來改善設計或加強結構，提高電池包的可靠性和安全性。

一、仿真APP解決方案

本案例基于伏圖隱式結構分析功能對某新能源汽車電池包進行隨機振動仿真，并對仿真流程進行無碼化快速封裝，形成專用的汽車電池包隨機振動仿真APP，可實現以下功能：

• 快速評估不同材料對箱體結構隨機振動特性的影響；
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• 快速評估不同結構阻尼系數對電池包結構隨機振動響應的影響；
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• 考查不同模態數及掃頻區間對結構隨機響應結果的影響；
• 可快速設置不同放大系數下的功率譜密度對結構隨機響應的影響，評估在極端工況下電池包結構的振動特性。

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1. 仿真流程搭建

1) 幾何導入

將電池包幾何模型（.stp或.step格式)導入伏圖平臺中。

圖2 幾何導入

2) 材料賦予

電池包下箱體與上蓋板均為AL6061，其密度為2700kg/m^3，楊氏模量為70000MPa，泊松比為0.33，屈服強度為248MPa。

圖3 材料賦予

3) 網格剖分

對電池包進行網格剖分，本案例均采用一階四面體剖分。為減少網格規模量，本案例電池模組采用質量點代替，實際工程計算中建議電池模組采用六面體單元進行模型建立。

圖4 網格剖分

4) 連接定義

將電池包下箱體與上蓋板進行綁定連接，電池模組與下箱體采用分布耦合連接。

 

圖5 下箱體與上蓋板綁定連接

圖6 電池模組與下箱體分布耦合連接

5) 邊界設置

對電池包安裝孔進行六自由度全約束設置。

圖7 約束條件

6) 創建分析

本案例采用模態法隨機響應分析，故第一步創建頻率分析，第二步創建隨機響應分析，為保證計算精度，頻率分析步的頻率區間取激勵頻率的1.5-2倍。

隨機振動分析步載荷輸入即加速度PSD功率譜密度可參考《GB38031-2020電動汽車用動力蓄電池安全要求》進行設置，完成各分析步參數設置后，提交計算。本次主要進行了Z向隨機振動分析。

圖8 各分析步參數設置

7) 結果評價

伏圖隨機響應分析可輸出PSD位移、PSD速度、PSD加速度以及RMS位移、RMS速度、RMS加速度、RMS Mises 應力等結果，其中RMS又稱為均方根或標準差。

電池包隨機振動分析中RMS結果即為1σ結果，是隨機振動分析中的一個重要指標，用于評估電池包在隨機振動載荷下的響應特性。在隨機振動分析中，結果通常以標準差σ的形式表示，其中1σ結果表示實際結果小于等于計算值的可能性為68.27%或者是68.27%的響應時間小于等于1σ。

圖9 結果評價

 

常用的方法是將3σ應力與材料的屈服強度進行比較，如果3σ應力小于屈服強度，則表明電池包結構可滿足隨機振動要求。如本次分析Z向加速度功率譜密度下的RMS應力（1σ）為12.15MPa，其3σ應力為36.45MPa遠小于屈服強度為248MPa，即結構在99.73%的響應時間里應力水平小于等于36.45MPa，其結構強度性能滿足要求。

圖10 RMS應力云圖及RMS位移云圖

2. 仿真APP封裝

1) 參數化定義與關聯

對電池包隨機振動仿真進行參數定義與關聯。

圖11 參數定義與關聯

2) APP封裝

創建參數表單、圖形表單及表單集合，通過鼠標拖拉拽的方式完成電池包隨機振動仿真APP封裝。

圖12 APP封裝

二、仿真APP應用

電池包隨機振動仿真APP可廣泛應用于新能源汽車行業，為電池包的結構設計和驗證提供了有力支持。通過仿真，可以預測電池包在實際使用過程中的性能表現，提前發現潛在問題并進行優化改進，從而提高電池包的可靠性和安全性。

圖13 汽車電池包隨機振動仿真APP

三、仿真APP賦能千行百業

相較于傳統CAE仿真軟件，基于伏圖開發的仿真APP更加靈活易用，用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進行仿真分析工作，提升產品研發效率。歡迎訪問工業仿真APP商店Simapps，在線體驗面向各種產品和場景的仿真APP。

四、關于伏圖

伏圖（Simdroid）具備固體力學、流體力學、電動力學、熱力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。

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