電池振動疲勞分析的案例
電動車動力電池包的隨機振動疲勞仿真分析案例
車載動力電池包在電動汽車行駛過程中承受著振動載荷的持續作用，因此振動試驗是電池包可靠性試驗中的重要部分。動力電池包作為電動汽車的儲能裝置，在可靠性發生失效的情況下，尤其是當一些關鍵部件或結構失效（例如出現松動、斷裂等情況）時，電池單體或者模組將發生位移、晃動或者被擠壓的情況，這將進一步造成相關部件的加速損壞，導致漏電或者采樣傳感器的失效，甚至誘發電池性能衰減，管理系統失效、電能中斷或起火爆炸等情況的發生。因此動力電池包的振動試驗也與安全性緊密相關，一直是動力電池測試評價領域關注的重點。本文利用通用疲勞壽命分析軟件Alphatigue進行電池包的隨機振動疲勞分析。
1.有限元仿真模型
頻率響應分析采用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RBE2進行連接，模型總計18473個單元和18622個節點，如圖1所示。
圖1 車載動力電池包的有限元模型
2.電池包隨機振動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振動疲勞分析流程，如圖2所示。一個完整的隨機振動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針對電池包隨機振動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Section，如圖3所示。加載位置為電池包與車體連接點位置。
展開 基于Ncode的新能源汽車電池包隨機振動疲勞分析
圖8 損傷結果
圖9 壽命結果
圖10 應力均方根
四、結果評價
對電池包支架進行振動疲勞分析，可以將電池包振動疲勞分析整個流程固化下來，包括PSD載荷、求解參數設置等，若后續需要更新模型或材料，直接在此模型上進行修改即可完成振動疲勞分析；通過分析可以預測電池包的支架疲勞損傷是否滿足要求，如本例中根據《GBT 31467.3-2015 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》中7.1振動疲勞法規要求，按規定的功率譜密度及仿真時間，電池包總損傷為0.848。小于1，理論滿足法規要求。
最后，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 電動汽車動力電池振動疲勞性能優化
電動汽車動力電池振動疲勞性能優化
VibrationFatigue Optimization for Electric Vehicle Power Battery
摘 要：基于整車運行工況及動力電池安全相關法規要求，需對動力電池進行振動疲勞性能驗證。采用標準振動載荷及疲勞分析軟件，可根據流程實現動力電池振動疲勞數值仿真分析。通過分析動力電池模態初步判斷振動疲勞風險部件，并為頻響分析提供支持；通過頻響分析初步判斷風險工況，并為振動疲勞提供計算輸入；振動疲勞分析發現并驗證風險位置，具體壽命及需整改區域。使用Altair軟件OptiStruct形貌優化對風險區域進行分析，確認優化方向及優化效果；結合結構特點及實現工藝設計優化風險部件，模態分析驗證了形貌優化及設計的正確性。對優化后動力電池頻響及振動疲勞性能分析，動力電池振動疲勞滿足預設指標，使用形貌優化方法提高動力電池振動疲勞性能是有效的。
關鍵詞：電動汽車，動力電池，振動疲勞，OptiStruct，頻響。
Abstract:Power Battery vibration fatigue performance is important to thevehicle, and the safety requirement of Power Battery is set up in manycountries, such as GB/T31467, etc.
展開 CAE技術在電動汽車動力電池振動疲勞性能上的應用
動力電池是電動汽車安全相關重要部件，動力電池安全性能是電動汽車安全性能的重中之重。為保證動力電池安全，國內外制定了一系列動力電池相關技術法規； 相關技術法規(例如 ISO12405-3， IEC 62660， ECE R100.2， SAE J2929， UL 2580， GB/T 31467.3等)， 對動力電池振動性能及其試驗測試都做出相關規定。應用CAE仿真技術可以在動力電池樣件制造出之前對其振動能否達到要求進行預估計算，并幫助提高動力電池振動疲勞性能。
電池包振動疲勞分析
輸入參數
某電動汽車電池箱體采用鈑金件設計，電芯采用18650電池并設計為標準模塊。 經網格處理，賦予材料及厚度等屬性后， 計算電池總重 360.1kg，與原電池估算重量（360kg）相比誤差僅 0.1kg。
（動力電池建模處理）
模態與頻響
約束動力電池與車身連接位置自由度，計算 200Hz 以下約束模態。電池包 200Hz 以上共有 68 階模態，其中前 8 階皆為上蓋模態（表 1） ，電池上蓋剛度差，模態頻率低，是振動疲勞風險區域，需在后續分析中關注。 根據模態分析結果對電池進行頻響分析， 由上蓋中心點頻響結果， Z 向響應遠大于 X 向/Y 向響應，動力電池振動疲勞風險為 Z 向振動時上蓋位置。
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CAE技術在電動汽車動力電池振動疲勞性能上的應用
動力電池是電動汽車安全相關重要部件，動力電池安全性能是電動汽車安全性能的重中之重。 為保證動力電池安全，國內外制定了一系列動力電池相關技術法規； 相關技術法規(例如 ISO12405-3， IEC 62660， ECE R100.2， SAE J2929， UL 2580， GB/T 31467.3等)， 對動力電池振動性能及其試驗測試都做出相關規定。應用CAE仿真技術可以在動力電池樣件制造出之前對其振動能否達到要求進行預估計算，并幫助提高動力電池振動疲勞性能。
電池包振動疲勞分析
輸入參數
某電動汽車電池箱體采用鈑金件設計，電芯采用18650電池并設計為標準模塊。 經網格處理，賦予材料及厚度等屬性后， 計算電池總重 360.1kg，與原電池估算重量（360kg）相比誤差僅 0.1kg。
（動力電池建模處理）
模態與頻響
約束動力電池與車身連接位置自由度，計算 200Hz 以下約束模態。電池包 200Hz 以上共有 68 階模態，其中前 8 階皆為上蓋模態（表 1） ，電池上蓋剛度差，模態頻率低，是振動疲勞風險區域，需在后續分析中關注。 根據模態分析結果對電池進行頻響分析， 由上蓋中心點頻響結果， Z 向響應遠大于 X 向/Y 向響應，動力電池振動疲勞風險為 Z 向振動時上蓋位置。
展開 隨機振動疲勞分析實例-ncode ￥15
為什么要進行隨機振動疲勞分析？
如何進行隨機振動疲勞分析？
2.1 頻率響應計算
計算頭文件設置
2.2 ncode隨機振動疲勞分析
有限元結果
載荷
材料
疲勞計算模塊設置
1.為什么要進行隨機振動疲勞分析？
汽車行駛中路面的隨機激勵會引起結構的強迫振動，路試和用戶反饋出的汽車構件及焊縫開裂損壞的情況中，大部分是疲勞破壞。對路面激勵比較敏感的構件在前期開發過程中進行強度及疲勞壽命的分析顯得尤為重要，及時為產品開發提供技術指導和設計參考。
2.如何進行隨機振動疲勞分析？
下面以電池包振動疲勞分析為例描述隨機振動疲勞分析的過程（ncode15.0）。
隨機振動分析是模擬汽車行駛時路面凹凸不平造成Pack經歷這種隨機振動的載荷工況時的疲勞壽命。
按照"GB/T31467.3-7.1振動"一條要求，蓄電池包需要在振動臺上進行三個方向上振動試驗，測試從Z軸開始，然后是Y軸，最后是X軸。每個方向的測試時間是21個小時。
注1：z方向一般比y向工況嚴苛，y比x嚴苛。從最嚴苛方向開始做可以在最短時間發現問題，避免不必要的測試。但是在仿真計算中，由于采用的miner線性疲勞方法，載荷順序不影響壽命計算結果。
注2：21小時測試時間與10年或24萬公里使用時間對應。
案例
第一步：頻率響應計算(nastran或optistruct)，分別計算支架在三個方向單位動態激勵下的應力
結果中可以看到在共振峰位置頻率分別率得到了細化。
第二步：利用上面計算的頻率響應應力結果計算疲勞。
疲勞分析五框圖
1.有限元分析結果
拖入FE Input，雙擊可載入模型頻率響應有限元結果。
展開 abaqus電池包隨機振動疲勞分析（附模型及分析流程） ￥88
本例展示基于功率譜密度曲線（PSD）的電池組疲勞分析，即針對隨機振動的疲勞壽命 分析。
1 問題設定 一塊電池組，尺寸為 70mm x 175mm x 400mm。該電池組的兩端共有 6 個端點，分別受 到垂直于電池組平面的激勵作用，且激勵的加速度功率譜密度曲線（ASD）相同。 由于在隨機振動基于線性動力學原理，因此電池，PC 材料等采用實體建模，其他鈑金 采用殼單元建模， 設定相關的 fastener 點焊單元，coupling 耦合單元和 tie 約束，建立零件 和零件之間相應的連接關系。
兩端所對應的 PSD 譜線如下圖。請注意該曲線的頻率截斷在 200Hz 處。
2 分析過程 一般來說，針對隨機振動的疲勞分析包含兩大步。第一步是在 Abaqus 中完成固有模態 和掃頻兩個計算；第二步是把這兩個計算結果與 PSD 曲線一起輸入 fe-safe，運行若干設置 后完成疲勞分析，得到相關結果。
以下內容包含完整的詳細的電池包跌落仿真分析 附件為完整教程和CAE模型文件.rar
展開 聯合ABAQUS與Fe-safe的隨機振動疲勞分析（隨機疲勞理論及有限元軟件操作講解） ￥25
結論
本文介紹隨機疲勞壽命分析的基礎理論，并使用有限元軟件ABAQUS與Fe-safe聯合仿真技術，在基于PSD譜上，對某一啞鈴狀板梁進行了隨機振動疲勞壽命仿真分析，同時也介紹了該聯合仿真分析的流程。在分析結果中，對比了隨機振動仿真的RMS計算結果和fe-safe隨機疲勞壽命的計算結果，評估分析結果的可信度。此疲勞仿真分析技術對產品的開發有著重要的幫助，可以在產品設計階段有效控制其疲勞壽命, 指導結構設計，縮短開發周期，降低開發成本。
此外，后期我會補充一些實際項目中的應用案例，為讀者在解決實際的工程問題中提供一定的參考,敬請期待！
參考文獻
[1] 劉龍濤，李傳日，程祺. 某結構件的隨機振動疲勞分析[J]. 振動與沖擊，2013, 32(21)
[2] 林 明，謝里陽. 疲勞壽命預測頻域方法分析與比較[J]. 失效分析與預防，2016，11(5)
[3] 楊萬均，施榮明. 隨機振動應力幅值的分布規律[J]. 機械設計與研究，2011，27(6)
[4] 李西順. 基于OptiStruct的電動汽車電池包振動疲勞分析. Altair技術大會優秀論文
[5] 達索公司. Abaqus Analysis User's Manual. SIMULIA Abaqus 6.14
[6] 達索公司. fe-safe user manual. SIMULIA fe-safe 2018
展開 電池包掃頻振動疲勞分析 optistruct/nastran+ncode(附模型) ￥50
結構振動、沖擊、碰撞計算、動力優化設計、振動疲勞分析與振動臺試驗模擬
3、結構優化方法與計算設置原理
4、結構動力優化原理
5、結構動力優化的分析系統
工程實例-1：基于FEM-GA（有限元-遺傳算法）的主軸振動特性優化計算
工程實例-2：基于動力優化設計的多盤轉子臨界轉速提升方法
結構振動疲勞壽命計算
1、隨機振動疲勞背景
2、疲勞計算方法對比
3、S-N曲線的描述
4、疲勞累積損傷理論
5、基于頻域法的結構振動疲勞壽命分析原理
6、結構隨機振動疲勞壽命分析流程
7、基于AWB-Ncode的振動疲勞計算方法
工程實例-1：自行車前叉振動疲勞壽命計算
備注
1、開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
展開 abaqus電池隨機振動分析（附模型及分析流程） ￥85
由于在隨機振動基于線性動力學原理，因此電池，PC 材料等采用實體建模，其他鈑金 采用殼單元建模， 設定相關的 fastener 點焊單元，coupling 耦合單元和 tie 約束，建立零件 和零件之間相應的連接關系。 兩端隨機振動所對應的 ASD 譜線如下圖： 本案例用到的附件包括： Battery1003-random-vibra.cae 提取前 10 階固有模態以及隨機振動 分析 2 分析過程 一般來說，針對隨機振動的分析包含兩大步。第一步是在 <a href="/major/abaqus" rel="noopener noreferrer" target="_blank">Abaqus</a> 中完成固有模態提取； 第二步是基于固有模態進行隨機振動分析，得到相關結果。</p><p> 2.1 有限元模型準備 需要強調的是，隨機振動基于線性動力學原理，因此其建模過程要符合線性動力學相關 方法的基本要求。</p><p> 2.1.1 幾何處理 在 CAD 軟件中進行簡單處理后，導入 <a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/abaqus" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(51, 51, 51);">Abaqus</a> 中，需要對零件進行幾何清理和修復，刪 除不必要的細節特征， 其中最重要的是： 在 abaqus 中對需要進行點焊的鈑金進行參考點 的標注，用于后面步驟中快速識別和定義 點焊單元。
展開 
飛機結構振動疲勞問題 附結構疲勞壽命分析姚衛星下載
當振動頻率遠大于結構模態頻率，以至于與聲波頻率相當時，即可視為聲疲勞進行處理。” 在其學位論文中也提到振動疲勞一詞，它指出振動疲勞與噪聲和頻率有關。雖然他們給出的定義不完全相同，但是都認為結構的振動疲勞與循環載荷的變化頻率、結構的固有頻率、交變應力的大小，以及結構對循環載荷的動力響應等因素密切相關。
在結構振動疲勞壽命估算方法方面。王明珠等人提出了一種結構隨機振動疲勞壽命估算的樣本法，通過該樣本法能夠處理在頻域內利用譜密度描述的寬帶隨機振動載荷的情況。張積亭等人提出了一種隨機振動疲勞壽命預計的簡便數據處理方法，該方法將隨機響應功率譜密度求出的特征頻率作為平均頻率進行數據處理。安剛等人根據自相關函數的極限性獲得結構響應應力的統計特性，然后進行疲勞壽命分析。吳啟鶴等人根據給出的方法從隨機載荷歷程的功率譜密度 (PSD) 中求得載荷幅值的概率分布函數，然后應用累積損傷理論估算結構振動疲勞壽命。王長武等對機載設備進行了隨機振動疲勞壽命的仿真分析。
周敏亮等人對國內外幾十年來形成的主要的振動疲勞分析方法進行了歸納整理，為飛機設計和維修提供振動疲勞的設計與分析技術支持文獻。黃超廣等人提出了一種正弦激振載荷作用下結構的疲勞壽命估算方法，并應用Visual Fortran6.5程序平臺開發出相應的振動疲勞分析程序。王榮乾在學位論文中基于模態分析理論、隨機振動理論和隨機疲勞理論，利用有限元對新舊機柜上電子設備的動態性能和機柜的疲勞性能分別進行了計算分析。
除此之外，還對振動疲勞強度問題開展了大量的其它相關研究。陸榕海等人針對發動機渦輪葉片的振動及振動疲勞破壞進行了理論分析，結果表明葉片的抗振動疲勞的能力主要取決于材料性質及葉片的形式、表面狀態，與靜強度無關。研究了裝備中的小口徑管道的振動疲勞問題。
展開 【11月22-25日 南京】結構振動、沖擊、碰撞計算、動力優化設計、振動疲勞分析與振動臺試驗模擬
為了讓廣大分析人員更好地掌握結構動力設計與計算的技巧，弄清Ansys workbench動力計算原理和操作技巧，特舉辦“結構振動、沖擊、碰撞計算、動力優化設計、振動疲勞分析與振動臺試驗模擬”專題培訓。
本課程基于ANSYS經典和Workbench平臺，針對各類結構的振動、沖擊、碰撞強度問題、動力優化問題、振動疲勞問題和振動臺試驗模擬問題，給出有效的數值計算方案，并對多點激勵問題、大質量法、位移法和大剛度法的數值模擬技術等相關高級計算技術進行探討。課程全面系統的講解各類動力學問題的計算原理、Workbench不同動力分析模塊的計算原理，設置方法和常見問題的處理措施。通過原理解析、大量實例操作強化軟件應用，提升設計人員提高解決實際工程問題的能力。
時間地點
2019年11月22日-11月25日 江蘇*南京
（第一天報到，授課3天）
主講專家
該課程講師，副教授，博士畢業于哈爾濱工業大學工程力學專業，擅長工程數值分析，14年仿真分析經驗；仿真領域涉及結構靜、動力計算，結構疲勞、損傷與斷裂，計算流體力學，流固耦合及多物理場耦合數值模擬，轉子及多體動力學，工程傳熱與熱應力計算，爆炸與沖擊力學，Ansys二次開發等。發表學術論文20余篇，其中SCI、EI收錄論文13篇，申請發明專利2項。培訓70多場次，學員上千人。
增值服務
1、贈送定制U盤一個；
2、同一單位2人報名享受9折優惠；同一單位3人以上（含）報名享受8.5折優惠；
3、課程結束后關注公眾號可領取該課程課件、配套CAE模型及同步教學視頻；參訓學員或企業針對課程相關問題在課程結束后也可以得到老師的解答與指導（郵件、微信、電話），作為講授的補充。
展開 【3月19-21日 線上+西安】結構振動、沖擊、碰撞計算、動力優化設計、振動疲勞分析與振動臺試驗模擬
1、概述
2、振動臺與結構模型的連接
3、基于加速度輸入的振動臺試驗模擬技術
4、基于位移輸入的振動臺試驗模擬技術
工程實例-1：基于加速度輸入的結構振動臺試驗
工程實例-2：基于位移輸入的結構振動臺試驗過程的時域仿真計算方法
結構動力優化
1、結構優化設計簡介
2、優化設計中常用術語
3、結構優化方法與計算設置原理
4、結構動力優化原理
5、結構動力優化的分析系統
工程實例-1：軸承結構的振動頻率和振動響應優化計算
工程實例-2：通過動力優化設計提高多盤轉子系統的臨界轉速
結構振動疲勞壽命計算
1、隨機振動疲勞背景
2、疲勞計算方法對比
3、S-N曲線的描述
4、疲勞累積損傷理論
5、基于頻域法的結構振動疲勞壽命分析原理
6、結構隨機振動疲勞壽命分析流程
7、基于WB-Ncode的振動疲勞計算方法
工程實例-1：自行車前叉振動疲勞壽命計算
備注
1、開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
展開 7月9-11日 直播+線下 | 結構振動、沖擊、碰撞計算、動力優化設計、振動疲勞分析與振動臺試驗模擬”專題
工程實例-1：基于加速度輸入的結構振動臺試驗
工程實例-2：基于位移輸入的結構振動臺試驗過程的時域仿真計算方法
結構動力優化
1、結構優化設計簡介
2、優化設計中常用術語
3、結構優化方法與計算設置原理
4、結構動力優化原理
5、結構動力優化的分析系統
工程實例-1：軸承結構的振動頻率和振動響應優化計算
工程實例-2：通過動力優化設計提高多盤轉子系統的臨界轉速
結構振動疲勞壽命計算
1、隨機振動疲勞背景
2、疲勞計算方法對比
3、S-N曲線的描述
4、疲勞累積損傷理論
5、基于頻域法的結構振動疲勞壽命分析原理
6、結構隨機振動疲勞壽命分析流程
7、基于AWB-Ncode的振動疲勞計算方法
工程實例-1：自行車前叉振動疲勞壽命計算
備注
1、開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
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