汽車在行駛過程中會受到各種沖擊載荷的作用，如道路不平、過減速帶、拱橋等。電池包作為動力系統并作為整車主要的承載部件，其強度影響著整車安全性能。因此在電池包結構設計中，需考慮電池包機械沖擊工況。動態沖擊工況對應的國標為GB/T31467.3－2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分：安全性要求與測試方法》。本文主要講解靜態沖擊。

靜態沖擊工況應用靜力學分析，其計算效率較高，根據仿真結果可對其結構性能進行預測以達到改進優化設計方案的目的。

在企業中此工況應用較少，現狀多以國標為標準。

應用hypermesh軟件進行前處理，應用optistruct和abaqus軟件進行分析對比。

針對網格劃分及模型的簡化處理應根據不同的分析工況及關注點進行合理簡化。

1、對于電池包上的鈑金件，抽中面畫成2D網格，盡量減少三角形的數量，盡量不要出現三角形單元相鄰；

2、保留主要的幾何型線，網格要與幾何保持良好的貼合；

3、對于橫跨縱向中心面的部件，用縱向中心面把它分割成兩部分，對稱部件以及對稱結構要求對稱網格；

4、板架、實體連接等鑄件采用solid單元模擬；

5、每個零件的單元法向必須一致；

6、每個零件的單元應連續，自由邊只能出現在零件的實際邊界上；

7、整個網格模型不允許出現初始穿透。

1D單元主要包括剛性單元、彈簧阻尼單元等。檢查項目包括：

1、free 1d’s1D  檢查單元是否存在自由端；

2、rigid loops   檢查剛性單元是否形成環；

3、dependency  檢查剛性單元是否有雙重依賴性。

單元基本尺寸可用5mm劃分

2D網格檢查界面：

模型簡化需根據不同分析工況進行合理簡化，此部分根據案例模型簡單介紹。

1、螺栓的處理

在hypermesh中用剛性單元進行連接。在optistruct求解器中單元類型為rb2，在abaqus求解器中單元類型為COUP—KIN，亦可用TIE。

2、模組釘處理

模組釘在結構中增強整體剛度并起到模組固定連接作用，其為整體結構中關鍵部位。因此不能按照普通螺栓簡化方式進行剛性處理，經仿真與對標測試，其結果與實際相差很大。可正常劃分結構網格后進行處理。

3、焊點

焊點類型采用ACM方法中較為流行的RBE3-HEXA-RBE3單元進行模擬，即采用六面體實體單元模擬焊核并用RBE3單元抓取周圍節點的形式模擬點焊工藝。

4、模組釘與下殼體的處理

本例分析為靜態沖擊工況，依照先驗經驗應力最大位置易發生在模組釘與下殼體連接處，根據工況需求為得到更為有效的結果，需注意簡化方式，需避免剛性單元使用對結果造成的應力失效。因此在連接時只能連接到套管位置不可連接到下殼體。

1、對結構吊耳處用剛性單元進行耦合后對主節點實際約束

2、在optistruct求解器下施加25G重力場,創建GRAV類型載荷集。其中N1、N2、N3代表X、Y、Z三個方向。G為比例參數，實際載荷大小為G*N。25G重力場依據國標動態沖擊最大值加載。

3、在Abaqus軟件中施加25G重力場，直接在載荷中選取Gravity載荷類型，在Z方向輸入25G加速度，經過換算為245000mm/S²。

將optistruct應力結果和abaqus應力結果分別導入到后處理hyperview中。應力處理方式選擇NONE（即不對應力做處理）。左為optstruct應力結果、右為abaqus應力結果。

其中optistruct應力最大位置為節點78776處，應力為424.2Mpa。

Abaqus應力最大位置節點78776，應力為462.2Mpa。

Hyperview對應力有三種處理方式，分別為Simple Averaging、Advanced Averaging、Difference。其每種處理方式處理算法不同。Hyperview默認不做處理，而工程中常用Advanced Averaging進行處理。

 1、Simple Averaging

平均處理之前，就已經提取出張量組（tensor）、矢量組（vector）以及計算出不變式（invariants）。從每個單元角點提取出的同類的張量組或矢量組，然后再進行平均計算；對于不變式來說也是這樣先提取，再進行平均處理。

如上圖所示，在節點 400 處的四個角點有四組張量[A2]，[B1]，[C3]，[D4]。那么該點處的某一 xx 組的均值為：

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

以不變式取 Von Mises 為例，那么節點400的Von Mises 結果即為四個角點的 Von Mises均值為：

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

2、Advanced Averaging

在高級（advanced）平均方法下，首先將張量（矢量）結果轉化到同一個變坐標系（consistent system）下，然后對每個組單獨進行平均處理以獲得平均張量（矢量）。再根據平均張量（矢量）計算不變式。不變坐標系可以是全局坐標系或者自定義坐標系。對殼單元來說，可以是節點投影坐標系，即由投影準則描述的在節點投影平面上的全局坐標系或者自定義坐標系。上圖所示的節點 400 的張量為：

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

其中[A2]_rc、[B1]_rc 、[C3]_rc 、[D4]_rc 是從角點 A2，B1，C3，D4 分別投影到指定坐標系下的張量。

3、Difference

Difference 方法用來描述某一節點上最大角點值和最小角點值之間的差異。對張量（矢量）組來說，從不同的單元中提取該節點上的同類參數進行差異性計算。對不變式來說也是如此。對圖一的例子來說，節點 400 處的張量  xx為：

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}

若四個角點值分別為：200，400，-100，-500，那么 Difference 結果為 900。

4、對optistruct和abaqus應力結果進行Advanced Averaging應力處理后如下圖所示。左為optstruct應力結果、右為abaqus應力結果。

其中optistruct應力為320.0Mpa。

Abaqus為343.3Mpa。

兩種不同求解器在前處理模型和工況一致的情況下，其最大應力點一致、分析結果有約10%差異，其中abaqus計算結果較大。對于眾多分析軟件，在保證前處理一致情況下，依作者之經驗optistruct和nastran計算結果基本一致，其他軟件比如dyna、abaqus、workbench等等結果均有些許差異。可能造成的差異原因首先考慮是不同單元類型造成的差異、其次模型連接與接觸等裝配的軟件處理方式不同造成的差異、最后考慮為軟件內嵌計算原理（此部分計算原理不為外人所知）。

通過應力方法處理后其最大受力點有所改變，受力趨勢更接近實際工況。

在強度工況下，通常評判標準為不超過材料屈服即認為滿足需求。而實際工況通常較為復雜，直白來講，對于強度工況超過屈服不一定在實際中會破壞，同理不超過屈服也不一定在實際工況中不受到破壞。因此需結合實際工況、對標實驗及產品經驗進行可靠性分析。

康濤：CAE仿真自由人、兼職某企業CAE技術顧問、企業培訓講師。擅長整車級別前處理、剛強度、碰撞安全、疲勞、NVH、電池包體系仿真及對標總結等。微信號：kt1171926630