汽车专场 | 新能源汽车动力电池PACK CAE分析实例解读
导读：7月7日20时，2020仿真知识周进入汽车专场，我们将分享一个《电池系统结构分析实例解读》。仿真秀专栏作者刘军涛博士将会用一个完整案例结合实际操作，讲述一个电池包结构分析的规划与实施，目标是让每一位学员听课后能够理解电池包结构分析的重点步骤和掌握电池PACK CAE分析的核心技能。一、PACK为什么需要CAE分析？
PACK是新能源汽车最重要的组成部分，可称之为心脏，电池系统需要满足汽车运营条件下的苛刻力学环境的要求。按照传统研发方式，设计-样包-测试-优化-样包-测试，反复循环，这种传统做法，周期长，成本高。另一个重要问题，即使出现了结构失效，由于影响因素比较多，并不能非常准确的得到结论。CAE，Computer Aided Engineering，计算机辅助工程，利用计算机对工程中的多个过程进行仿真优化。将产品研发过程升级为：结构设计——CAE仿真验证——设计优化——CAE再验证——3D模型样机。大大缩短了研发周期，且降低了打样费用，已广泛应用于汽车领域的方方面面。
二、PACKCAE结构分析有哪些？
电池PACK结构设计需要的CAE分析包括：结构强度、模态、随机振动、机械冲击、翻转、跌落、模拟碰撞等，涵盖GB/T 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分安全性要求与测试方法所有内容，是最重要的结构验证手段。三、基于Workbench的0.7吨pack系统结构分析实例
图一为pack系统壳体框架结构三视图，图二、图三为壳体框架立体图（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 Z轴PSD值（重力方向）
表1
② y轴PSD值（行驶方向）
③ x轴PSD值（垂直于行驶方向）
（3）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。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。
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。
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：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10 危险点的位置
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。
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。
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���构��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。
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
由于在加速度的转折点需要一个短时间的缓冲，所以绘制的曲线图如下
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。四、公开课《电池系统结构分析实例解读》
7月7日20时，2020仿真知识周第二期直播《电池系统结构分析实例解读》，笔者将会用一个更完整案例结合实际操作，讲述一个电池包结构分析的规划与实施。目标是让每一位学员听课后能够理解电池包结构分析的重点步骤和掌握电池PACK CAE分析的核心技能。大家点击下方图片即可回看视频
五、NETMS分析处理系统免费 使用
7月7日晚8点的电池系统CAE实例解析直播课时，笔者不但对一个系统的CAE项目实施进行详细和干货满满的分享。而且笔者（刘军涛博士）团队开发的热管理与结构分析相关的一套分析处理系统-NETMS进行详细解析，并依据学员情况，课后分析系统的部分能免费供学员使用和研讨。
新能源汽车电池系统CAE结构分析除需要专业人员进行CAE项目的实施和计算，企业对于CAE分析项目规范建立和后处理工具的统一开发同样重要，只有在一套企业认可的方法下处理所得到的CAE分析数据，不同的工程师使用相同的标准规范来进行项目结果的解析，才能真正建立CAD-CAE之间的良性沟通。
系统登录之后，包括了电池包热管理系统设计工具、制冷计算，安全性评估、螺栓评估等多个实用的CAE分析工具。
以热管理设计为例，通过PACK系统参数，能够计算出系统的散热需求和热管理系统设计的多个关键参数，且每个工具计算完成之后，都具备报告导出的功能，一目了然的能够为企业系统快速完成热管理系统基础设计，极大地提高设计效率。
以仿真秀的这次直播作为假想客户，输入基础参数后，计算完成参数内容，点击到处报告，会生成一份规范完整热管理系统设计报告。
点击导出报告，并且保存后， 生成的专业热管理报告如图所示，非常快速的完成了一份非常专业的系统热设计评估报告，直播结束之后，该功能可开放与所有学员。
NETMS系统除了专业的评估工具，还包含了非常有价值的企业CAE规范定义。
NETMS的热管理系统部分系统整理了电池PACK热管理技术，形成了热管理系统开发设计档案一套，直播结束后也将免费开放与所有学员。
点击热管理或者热仿真，会将整理好的一套完整技术资料呈现出来。
除此之外，NETMS系统还包含了包括上传、下载及专家库部分的技术内容，直播课时会分享与大家。
作者：刘军涛 仿真秀专栏作者
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