CAE助力中国智造梦！某新能源汽车动力电池结构仿真验证攻略

国内企业存在一个很大的弱势，处于模仿阶段的它们即使能够成功仿制出产品，却难以判断产品的好与坏，中国制造很强大，但中国智造还不强大。笔者认为，掌握CAE仿真技能，却可以解决这个问题，使企业对产品能够知其然，知其所以然，CAE帮助企业走出模仿困境的有效方式。

什么是CAE仿真呢？广泛地来讲，凡是基于计算机进行辅助的工程应用，都可被称得上是CAE技术。小到机械、装备制造、汽车，大到航空航天、土建，都可采用计算机来对工程问题进行模拟,以数字方式重建物理世界，以数学方式解析产品细节。

当前，航空航天、汽车等领域都投入了大量的人力财力，通过CAE技术进行车身优化、碰撞测试、疲劳寿命、NVH、流体分析等仿真分析。对于工程师而言，通过CAE技术，可以快速、准确地发现并找到实验中难以解决的问题的方案，将问题扼杀在摇篮之中。

以新能源汽车为例，新能源汽车动力系统占据整个车辆成本1/2以上，如果不借助CAE的技术评估工具，研发过程会变的费时、费力、费钱，笔者多年从事与新能源汽车动力系统研发集成的经验认为，通过CAE有效评估，能够大大简化系统的研发周期和资金话费。以某款商用车型动力系统为例，再样机制作之前，通过CAE计算和评估其安全性，有十足把握之后再开始制作样包进行试验。CAE验证过程截取部分内容置于本篇文章，《0.7吨pack系统结构分析报告》仅供参考。

一、工况描述（系统介绍）

1、系统信息介绍

• 额定电压316.8V（242V-360.8V）

• 容量360Ah，

• 单体电芯参数：额定3.6V  重量：47g 容量：2.4Ah 内阻范围：19-23.5mΩ;

• 系统重量：300Kg

• 使用环境温度：充电，0～45℃；放电，-20～55℃ （计算时选择22℃）
  

2、系统结构介绍

图一为pack系统壳体框架结构三视图，图二、三为壳体框架立体图

图1 系统结构图

图2俯视图

图3仰视图

二、结构分析

1、振动分析

(1) 计算目的

计算蓄电池pack系统的框架结构是否链接可靠、结构完好、产生裂缝、断裂等现象。

(2) 计算条件

① Z轴PSD值（重力方向）

② y轴PSD值（行驶方向）

图5 y轴psd曲线图

③ x轴PSD值（垂直于行驶方向）

(3) 分析结果

① 重力方向

• 变形:

• 等效应力：

② 行驶方向

• 变形:

图10 结构整体变形图

• 等效应力：

图11 等效应力图

③ 垂直行驶方向：

• 变形：

图13变形量最大位置的变形图

• 等效应力：

图14 等效应力图

（4）结果分析

① 重力方向危险点结果评估

最大应力值为为580.41Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到269.04 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到152.82 Mpa，对应屈服安全系数为2.270；疲劳安全系数为2.731 ，满足设计要求。

附件1：危险点安全系数

② 行驶方向

图17  危险点的位置

图18  评估最大应力值选择点

最大应力值为为383Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。
将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到216.26 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到130.87 Mpa，对应屈服安全系数为2.636；疲劳安全系数为3.172 ，满足设计要求。

附件2：危险点安全系数

③ 垂直行驶方向

图19  危险点的位置

图20  评估最大应力值选择点

最大应力值为为350.79Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到174.17 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到105.29 Mpa，对应屈服安全系数为3.277；疲劳安全系数为3.942，满足设计要求。

附件3：危险点安全系数

2、机械冲击分析

(1) 计算目的

计算蓄电池pack系统的框架结构是否链接可靠、结构完好、产生裂缝、断裂等现象。

(1) 计算条件

对测试对象施加25g、15ms的半正弦冲击波，Z轴方向冲击3次，观察2小时。

 

图21脉冲曲线图

(3) 分析结果

• 变形

• 等效应力

(4) 结果分析

图26  评估最大应力值选择点

最大应力值为为1574Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。
将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到479.08 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到326.87Mpa，对应屈服安全系数为1.055不满足设计要求。移动四个单元，距离12mm应力值降到248.66 Mpa，对应屈服安全系数为1.387不满足设计要求

附件4：危险点安全系数

3、跌落分析

（1） 计算目的

计算蓄电池pack系统的框架结构是否链接可靠、结构完好、产生裂缝、断裂等现象。

（2） 计算条件

沿Z轴方向，从1m的高度自由跌落到水泥地面。

• 变形：

• 等效应力：

图31整体等效应力图

图32 内部框架等效应力图

图33 主要应力集中部件详图

（4）结果分析

图34整体等效应力图

图35  评估最大应力值选择点

① 从变形结果来看，变形比较大的区域在窄端的中心和宽端的中心位置，详细分解来看系统内的电池模组支架的最大变形量为2.69mm，系统壳体的最大变形为3.01mm，系统外部框架的最大变形为2.25mm，四个耳坐的最大变形为2.01mm。

② 从应力结果来看，最大应力出现在窄端内部支撑电池模组的横梁位置，最大值1177.3Mpa，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到472.08 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离12mm移动两个单元应力值降到177.3 Mpa，对应屈服安全系数为1.946，满足设计要求。

附件5：危险点安全系数

4、模拟碰撞分析

（1） 计算目的

计算蓄电池pack系统的框架结构是否链接可靠、结构完好、产生裂缝、断裂等现象。

（2） 计算条件

测试对象水平安装在带有支架的台车上，根据测试对象的使用环境给台车施加规定的脉冲（汽车行驶方向为x轴，垂直于行驶方向的水平方向为y轴）。

表5 在x和y方向施加以下载荷

图36 X方向曲线图

图37 y方向曲线图

（3）分析结果

• x方向冲击产生的变形：

• x方向冲击产生的等效应力：

图39

图40

• Y方向冲击产生的变形：

• Y方向冲击产生的等效应力：

图42

图44等效应力最大值整体位置图

图45评估最大应力值选择点

最大应力值为为2541.1Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到738.34 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离18mm移动两个单元应力值降到306.02Mpa，对应屈服安全系数为1.127不满足设计要求。移动四个单元，距离20mm应力值降到252.14 Mpa，对应屈服安全系数为1.368不满足设计要求。

附件6：危险点安全系数

以一个案例分析抛转引玉，让研发变得快捷、高效，尤其是随着2025-国家智造战略的提出，其核心的问题便是企业要完成核心竞争技术的掌握和理解，对产品能够知其然、知其所以然，从中国制造变成中国智造，而这个过程中，CAE仿真已被无数次证明是深刻理解产品、积累产品技术和经验的最为有效的工具，各个行业开始涌现出对CAE人才的迫切渴望和需求，不久的将来，一定会逐渐改变国内重CAD、轻CAE的现状，而仿真技术也会逐渐走向前台，成为企业制造到智造升级的关键关节。

毕业后，笔者专注于CAE仿真、服务一流机械设计公司超过十年的时间，从这些工作经历中看到外企CAE应用及其管理方法和流程的成熟，也观察到国内企业已逐渐形成CAE仿真的概念，需求日益攀升。

2013年觉察到时机成熟的笔者，毅然离开了外企，创办了一家名为“双帝（Decide for Design）”的公司。这是笔者的第一家创业公司，笔者将所学所知倾注于这家公司，并且将仿真技术与ERP企业资源管理系统相融合，提出CRP概念。

双帝CAX资源计划（CRP-CAX  Resource Planning），打造出一套企业能够不断自我完善和更新的专家库系统。它通过重新定义和规划企业CAX资源，贯穿企业CAD-CAE-CAM三个环节，使得企业能够总结一次次的经验教训，理解和把控产品细节，使设计、分析、制造部门均能知其然，知其所以然。

双帝是笔者创业的开始，CAE仿真和资源规划业务逐渐得到蒂森克虏伯、上汽荣威、大众汽车的支持。笔者也从中深入了解到“热”产品设计、研发和制造的整个流程。

这次，非常荣幸能够与仿真秀平台合作，开发基于Workbench环境的的高阶技能课程，当前已经更新到第8期。后面，我也会推出《新能源汽车动力电池系统结构仿真高阶课程16讲》和《新能源汽车动力电池系统热管理仿真高阶课程20讲》2套精品课。总结十余年来，实际工程项目应用中，需要掌握的仿真技术系统概念、方法论和重要而常常被忽略的工具和软件操作内容，帮助工程师从仿真项目懵懂期到清晰期的过渡，为工程师成长为合格的仿真分析工程师助一臂之力，优秀的CAE技术人员对企业产品能够提出有价值的建议，有广泛的就业情景，可谓是有前途、有钱途，何乐而不为。

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