1為什么要做CAE分析

電池包安裝在車輛上，需要滿足汽車運營條件下的苛刻力學(xué)環(huán)境的要求。制作樣品進行實驗，得到結(jié)果以后再進行調(diào)整修改，再次打樣。這種傳統(tǒng)做法，周期長，成本高。另一個重要問題，即使出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效，由于影響因素比較多，并不能非常準(zhǔn)確的得到結(jié)論。有可能出現(xiàn)，這次的試驗失效在這里，加強以后再試，旁邊的結(jié)構(gòu)又出現(xiàn)新的問題。工程系統(tǒng)越來越復(fù)雜的今天，一兩次單純依靠經(jīng)驗的測試調(diào)整，已經(jīng)無法真正解決產(chǎn)品問題。

CAE，ComputerAidedEngineering，計算機輔助工程，利用計算機對工程中的多個過程進行仿真優(yōu)化。人們借助計算機強大的運算能力，模擬現(xiàn)實應(yīng)用的環(huán)境和受力狀態(tài)，預(yù)測當(dāng)前設(shè)計結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計調(diào)整優(yōu)化的周期急劇縮減。配合以這兩年正在走向成熟的3D打印技術(shù)，一個理想的樣機生產(chǎn)程序已經(jīng)成型，初步結(jié)構(gòu)設(shè)計——CAE仿真驗證——設(shè)計優(yōu)化——CAE再驗證——3D模型樣機。

CAE基本思路

將連續(xù)體離散化，把對連續(xù)體整體的分析轉(zhuǎn)化成對離散化單元的應(yīng)力、位移、壓力和溫度等的分析過程。單元分析的結(jié)果，經(jīng)過后處理，將數(shù)據(jù)平滑化，重新結(jié)合到一起，反應(yīng)一個有機整體的特性信息。

一個CAE軟件，它的單元種類越多，材料類型越多，就越能夠在更詳盡的細(xì)節(jié)上模擬真實工程狀態(tài)，得到更加準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。

為了采用最接近真實設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行仿真，CAE軟件與常見的CAD軟件（CATIA、Pro/ENGINEER、UG等）有數(shù)模導(dǎo)入接口。

2CAE分析的主要類型

汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要的CAE分析：模態(tài)分析，靜態(tài)分析，疲勞分析。

常見的應(yīng)用軟件：ABAQUS、SolidworksSimulation、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC、MSC/ADAMS、HyperMeshs、Nastran。

什么是模態(tài)分析？

模態(tài)：固有頻率、質(zhì)量、剛度、阻尼、和模態(tài)振型作為參數(shù)，共同描述一個單自由度系統(tǒng)的動力學(xué)特性狀態(tài)，叫做系統(tǒng)的模態(tài)。

固有頻率：物體自由震動時的頻率，與初始條件無關(guān)，只與系統(tǒng)的質(zhì)量、形狀、材質(zhì)的剛度、楊氏模量有關(guān)。一個單一自由度的系統(tǒng)，只具有一個固有頻率。

模態(tài)分析：現(xiàn)實中的系統(tǒng)，都是多個單一自由度系統(tǒng)耦合的結(jié)果，表現(xiàn)為一個系統(tǒng)具有多個不同階次的固有頻率，或者叫共振頻率。模態(tài)分析，就是解耦這個多自由度系統(tǒng)成為多個相互獨立的單自由度系統(tǒng)，并確認(rèn)每個單自由度系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析是一種參數(shù)識別技術(shù)。

模態(tài)分析通常比較關(guān)注接近載荷頻率附近的模態(tài)頻率，并且高階模態(tài)能量占比比較低，因此，關(guān)注的階次到7級就可以滿足一般應(yīng)用的要求。

什么是靜態(tài)分析？

載荷與系統(tǒng)相對靜止的內(nèi)應(yīng)力分析過程，構(gòu)建在載荷的作用下充分變形，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

什么是動態(tài)分析？

分析系統(tǒng)在載荷不同作用狀態(tài)下的不同狀態(tài)參數(shù)，關(guān)注的是系統(tǒng)的動力學(xué)特性。載荷是時間的函數(shù)。

什么是疲勞分析？

寬泛的疲勞，指結(jié)構(gòu)在周期性應(yīng)力的作用下，經(jīng)歷一段時間以后，沒有明顯傷痕的情況下，突然發(fā)生失效的現(xiàn)象。這里的應(yīng)力可以是動態(tài)應(yīng)力，也可以是熱應(yīng)力。

疲勞相關(guān)的幾種分類

按激勵類型的不同，振動疲勞分為拉壓振動疲勞、扭轉(zhuǎn)振動疲勞和彎曲振動疲勞。若激勵頻率與結(jié)構(gòu)共振頻率重合或接近使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振而導(dǎo)致疲勞稱為共振疲勞；反之，稱為非共振疲勞。按照激勵頻率與結(jié)構(gòu)基頻的比值大小，振動疲勞分為高頻振動疲勞和低頻振動疲勞。

疲勞分析有三個主流軟件，Ncode，fatigue和fesafe。

3電池包的CAE分析案例（模態(tài)，靜態(tài)，動態(tài)）

作者陶銀鵬在他的文章《CAE技術(shù)在電動汽車電池包設(shè)計中的應(yīng)用》中，講述了動力電池包需要的CAE分析項目。

分析工作所用工具：有限元網(wǎng)格劃分和后期處理HyperMeshs，靜力學(xué)分析和模態(tài)分析Nastran，非線性分析Abaqus。

3.1仿真流程

電池包整體CAE分析流程如下：

使用3D軟件建模；

將數(shù)模導(dǎo)入HyperMeshs;

單元格劃分，設(shè)置單元格材料屬性和單元其他性能參數(shù)；

確定工況，包括工況具體參數(shù)和邊界條件；

將邊界條件設(shè)置在有限元模型上，包括載荷、約束和位移；

求解計算；

檢查計算結(jié)果，是否在項目參數(shù)要求范圍以內(nèi)，比如應(yīng)力極限等；

如果結(jié)果滿足設(shè)計需求，則進行后處理，整理用于報告的材料圖形；

如果數(shù)據(jù)不滿足要求，則修改3d數(shù)模結(jié)構(gòu)，從頭開始進行前面的流程。

具體實施過程，進行了三類分析，模態(tài)分析、靜態(tài)分析和動態(tài)分析。

3.2模態(tài)分析

為了確定系統(tǒng)低階振動頻率，避免與工況中可能出現(xiàn)的頻率重合，產(chǎn)生共振，對結(jié)構(gòu)造成破壞。從HyperMeshs中導(dǎo)出網(wǎng)格劃分結(jié)果，導(dǎo)入MscNastran進行計算，最后用HyperMeshs查看結(jié)果。項目進行了3階模態(tài)頻率分析，兩種結(jié)構(gòu)類型電池包結(jié)果如下表。系統(tǒng)工作環(huán)境常見頻率為33Hz，前一版設(shè)計，固有頻率在環(huán)境頻率附近，經(jīng)改進，避開了這個頻率。

3.3靜態(tài)分析

一般靜力分析，是系統(tǒng)受到靜力作用的情形，分析最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置以及最大應(yīng)力值是否會超過允許的應(yīng)力極限。案例是把顛簸同時緊急制動、和路面顛簸同時緊急轉(zhuǎn)彎的沖擊工況轉(zhuǎn)化成靜力分析。

對于機械沖擊的要求，在電池包安全標(biāo)準(zhǔn)《GB/T31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分安全性要求與測試方法》中，只對z向提出了要求，具體是25g沖擊15s，3次，觀察2小時。

案例中自行設(shè)定的仿真參數(shù)為，制動減速度設(shè)置為g=9.8m/s^2，急轉(zhuǎn)彎時向心加速度取0.8g，z向動載荷系數(shù)取2.0。參數(shù)整體設(shè)置比較小。仿真過程中，網(wǎng)格在HyperMeshs中完成劃分，求解器使用Mac.Nastra。仿真結(jié)果如下：

3.4動態(tài)分析

動態(tài)分析按照定頻分析和掃頻分析兩步進行，電池模組與電池包殼體的固定連接設(shè)置成接觸約束，使用HyperMesh進行網(wǎng)格劃分，并使用其中的求解器Abaqus進行約束加載和計算，最后再用HyperMesh查看結(jié)果。

定頻分析，將工況33Hz設(shè)置成振動頻率，加速度70m/s^2，根據(jù)這兩個初級輸入，計算定頻振動的振幅。使用這個定頻振動，計算上下，前后，左右三個方向的定頻分析。表格中數(shù)據(jù)單位為Mpa。設(shè)計選用材料的屈服極限為170.1Mpa。

掃頻分析，掃頻范圍17-200Hz，頻率變化按照線性規(guī)律。掃頻過程，就是尋找200Hz以下的系統(tǒng)共振頻率。結(jié)果，方形電池包找到了2個共振頻率：99.2Hz和177.2Hz都是在模態(tài)分析的3階頻率以上的高階頻率，兩個結(jié)果并無矛盾。