CN109883636A - 一种电池包用铝合金p-s-n曲线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于疲劳测试技术领域，公开了一种电池包用铝合金P‑S‑N曲线测试方法，方法具体包括如下步骤：S1、保持原板厚度，一侧抛光，一侧保持原始状态，抛光粗糙度Ra≤0.2μm；S2、将P‑S‑N曲线分为三个区段，设定各个区段的应力水平及试样数；S3、设定测验参数，即关注部位的峰值穿越频率及应力比值；S4、基于设定的测验参数及应力水平对各试样进行S‑N曲线的测试，并绘制P‑S‑N曲线。基于电池包所处实际环境来获得的应力比和加载频率，获得的试验数据更符合产品的实际使用环境，获得疲劳寿命数据在实际产品寿命预测中准确性更高；获得的P‑S‑N曲线可以根据相应概率水平完成对电池结构的可靠性设计与寿命预测。

Description

一种电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法

技术领域

本发明属于疲劳测试技术领域，提供了一种电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法。

背景技术

随着疲劳试验研究的不断发展，有限寿命设计在各工业部门的广泛开展和新工艺、新材料的研制，都要求提供准确可靠的疲劳试验数据。疲劳强度是工程应用中进行可靠性设计的一个强度指标。它通常包括疲劳极限强度和条件疲劳强度，疲劳极限强度是材料抵抗无限次应力循环也不至于疲劳断裂的强度指标，条件疲劳强度是材料抵抗规定循环周次而不疲劳断裂的强度指标。条件疲劳强度是在制定寿命下，通过S-N(应力-寿命)曲线方程确定的。因此，选择恰当的方法测定和处理S-N曲线方程，直接关系到条件疲劳强度准确性的确定。

铝合金型材大多用于电池包安装座处和模组横梁设计，其疲劳强度可靠性对行车安全至关重要。疲劳可靠性S-N曲线是实现疲劳可靠性设计与评价的基础。要实现电池包结构使用寿命预测，需要对其疲劳寿命在任意成活率(P)-置信度(C)下的S-N曲线和疲劳数据进行测定与研究，从而可以按照相应概率水平完成对电池结构的可靠性设计与寿命预测。同时，生产中要求做到任意可靠性水平的设计、寿命预测与失效概率分布规律研究，也需要广义疲劳可靠性的S-N曲线。

疲劳试验数据受到许多随机因素的影响，具有很大的离散型。但是疲劳寿命和疲劳应力水平服从一定的统计分布规律，如对数分布和威布尔分布等。因此，采用科学的数理统计理论和合理的处理方法，对疲劳性能S-N曲线的研究具有重大的理论和现实意义。S-N曲线测定试验是针对材料在交变应力作用下的疲劳行为，测定其疲劳寿命与所受应力水平关系的曲线，并研究分析在不同置信度的存活率条件下的S-N曲线。

GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》为金属材料试样疲劳试验提供指导，规定了试样尺寸、试验装置和试验程序，但对影响试验结果的应力比和加载频率，未给出具体方法，需要用户根据使用环境进行设定。

发明内容

本发明实施例提供了一种电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法，基于电池包所处实际环境来获得的应力比和加载频率，获得的应力比和加载频率更符合产品的实际使用环境。

本发明是这样实现的，一种电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法，所述方法包括如下步骤：

S1、保持原板厚度，一侧抛光，一侧保持原始状态，抛光粗糙度Ra≤0.2μm；

S2、将P-S-N曲线分为三个区段，设定各个区段的应力水平及试样数；

S3、设定测验参数，即关注部位的峰值穿越频率及应力比值；

S4、基于设定的测验参数及应力水平对各试样进行S-N曲线的测试，并绘制P-S-N曲线。

进一步的，所述峰值穿越频率获取方法具体如下：

S11、对电池包进行振动加速测试，采集关注部位的时域振动路谱，关注部位位于安装部位上；

S12、将时域振动路谱转换成频域振动路谱；

S13、建立电池包有限元模型及车体安装部位的有限元模型；

S14、采用频域振动路谱对建立的有限元模型进行随机振动响应分析，获取关注部位的峰值穿越频率。

进一步的，应力比值的获取方法具体如下：

S11、对电池包进行振动加速测试，采集关注部位的时域振动路谱；

S13、建立电池包有限元模型及车体安装部位的有限元模型；

S21、选定时域振动路谱中的工况，在所述工况下对电池包进行设定时长的瞬态动力学分析，获取关注部位所有时刻中最大主应力及最小主应力，最大主应力与最小主应力的比值即为实验设定的应力比。

进一步的，频域振动路谱的获取方法具体如下：

S121、对采集的时域振动路谱进行平稳性、历经性、正态性检验，剔除不满足检验的异常点；

S122、对时域振动路谱进行快速傅里叶变换获得加速度功率谱，功率谱密度数据进行开自然对数，获得多种工况下加速度功率谱曲线；

S123、将多种工况下的加速度功率谱曲线拟合成一条加速度功率谱曲线，即频域振动路谱。

本发明提供的电池包铝合金P-S-N曲线测试方法具有如下有益效果：

基于电池包所处实际环境来获得的应力比和加载频率，获得的试验数据更符合产品的实际使用环境，获得疲劳寿命数据在实际产品寿命预测中准确性更高；获得的P-S-N曲线可以根据相应概率水平完成对电池结构的可靠性设计与寿命预测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的P-S-N曲线获取方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的关注部位的峰值穿越频率获取方法流程图；

图3为本发明实施例提供的剔除异常数据后的时域振动路谱示意图；

图4为本发明实施例提供的多种工况下加速度功率谱曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的多种工况下加速度功率谱曲线的拟合示意图；

图6为本发明实施例提供的关注部位的应力比值获取方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的P-S-N曲线获取方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S1、保持原板厚度，一侧抛光，一侧保持原始状态，抛光粗糙度Ra≤0.2μm；

针对所有的样件，保持原板厚，一侧纵向抛光，一侧保持原始状态，抛光粗糙度Ra≤0.2μm，将试样一侧抛光一侧不抛光，只是为了使试样更贴近实际使用状态，一般情况下，试样都是进行两侧抛光。

在步骤S1之前还包括：电池包使用的实际板厚，从同一批板厚制造材料中，在材料成型方向垂直方向取样，随机至少选取一个实验，制成拉伸样件，用于抗拉强度、屈服强度和化学成分测试，为后续疲劳试验应力水平设计提供参考。

S2、将P-S-N曲线分为三个区段，设定各个区段的应力水平数及试样数；

循环寿命10⁶和10⁸处为曲线的两个拐点，循环寿命小于10⁶为第一区段，循环寿命位于10⁶～10⁸为第二区段，循环寿命大于10⁸为第三区段，第一区段的采用成组法进行试验，应力水平数至少5个，每个应力水平数试样至少6个，第二区段采用组法进行试验，应力水平数至少3个，每个应力水平数试样至少6个，第三区段采用升降法进行测试，测试的数据升降曲线必须闭合，如果不闭合，必须增加试样，继续进行试验，直至闭合为止，每个应力水平数试样至少12个。

以6061铝合金为例，假设第一区段应力区间为80MPa至200Mpa，则该区段内应力水平取值间隔为(200-80)/4＝30，五个应力水平设置值为80，110，140，170，200；第二区段应力区间为50Mpa至80MPa，应力水平间隔(80-50)/3＝10，则应力水平设置值为50，60，70；第三区间段，则以2Mpa为间隔进行升降，假设第一个试样以应力水平48Mpa进行试验，循环到10⁸，试样未断裂，第二个试样则以46Mpa应力水平进行试验，试样循环到10⁸断裂，则第三个试样以48Mpa进行试验，如此按照试样断裂，应力水平降低2Mpa，试样未断裂，应力水平升高2Mpa，挨个试样进行试验，直至12个试样试验完成，试验完成后，对数据进行处理，假若最后一个试样的下一个假想试样的应力水平和第一个出现相反试验结果的应力水平相同，则试验数据闭合，假若没有，则需要增加试样继续进行试验，直至数据闭合。

S3、设定测验参数，包括关注部位的峰值穿越频率及应力比值；

图2为本发明实施例提供的关注部位的峰值穿越频率获取方法流程图，该方法具体如下：

S11、对电池包进行振动加速测试，采集关注部位的时域振动路谱，关注部位位于安装部位上；

在关注部位上设有三个加速度传感器，分别沿三个方向X轴、Y轴及Z轴设置，通过加速度传感器采集时域振动数据，即构成时域振动路谱。

S12、将时域振动路谱转换成频域振动路谱，其转化方法如下面步骤S121至步骤S123所述，

S13、建立电池包有限元模型及车体安装部位的有限元模型；

创建的电池包有限元模型和电池包安装部位的有限元模型尽可能与实际装车条件相符；

S14、采用频域振动路谱对建立的有限元模型进行随机振动响应分析，获取关注部位的峰值穿越频率。

在本发明实施例中，可以利用NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等专业有限元软件进行随机振动响应计算，首先计算单位载荷下的频率响应，获得分析频段内的传递函数和应力响应，提取随机振动响应分析对应部位的加速度功率谱密度曲线，通过提取曲线的2阶距和4阶距，即可获得峰值穿越频率其中G(f)为功率谱密度，f为频率。

在本发明实施例中，时域振动路谱转化成频域振动路谱的转化方法具体如下：

S121、对采集的时域振动路谱进行平稳性、历经性、正态性检验，剔除不满足检验的异常点，如图3所示，

S122、对多种工况下时域振动路谱进行快速傅里叶变换获得加速度功率谱，功率谱密度数据进行开自然对数，获得多种工况下规范加速度功率谱曲线，如图4所示；

S123、将多种工况下的加速度功率谱曲线拟合成一条加速度功率谱曲线，即频域振动路谱，如图5所示，对相邻频率点的加速度功率谱开自然对数数据进行假设检验，检验的置信度为90％，符合条件的归纳为一个整体，不符合条件的不合并；计算每一个整体加速度功率谱密度的上限，采用的公式为其中为频段内加速度功率谱密度开自然对数的平均值，S_h(p)为频段内加速度功率谱密度开自然对数的方差，其中计算公式为f＝N-1，K_β为β概率下的正态分布分位点(已知β通过查正态分布分位表即可得到K_β)，N为归纳后每一个整体的样本个数，t(f,λ)为t分布，可通过查t分布表求得，根据计算的样本数，样本超过40后，系数k的大小趋于稳定，约等于1.65。

图6为本发明实施例提供的关注部位的应力比值获取方法流程图，该获取方法具体如下：

S11、对电池包进行振动加速测试，采集关注部位的时域振动路谱；

在关注部位上设有三个加速度传感器，分别沿三个方向X轴、Y轴及Z轴设置，通过加速度传感器采集时域振动数据，即构成时域振动路谱；

S13、建立电池包有限元模型及车体安装部位的有限元模型；

创建的电池包有限元模型和电池包安装部位的有限元模型尽可能与实际装车条件相符；

S21、选定时域振动路谱中的工况，在选定的工况下对电池包进行设定时长的瞬态动力学分析，获取关注部位所有时刻中最大主应力及最小主应力，最大主应力与最小主应力的比值即为实验设定的应力比；可以利用NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等专业有限元软件进行瞬态动力学计算，时长最少为30ms。

S4、基于设定的测验参数及应力水平对各试样进行S-N曲线的测试，基于成活率来绘制P-S-N曲线。

第一区段和第二区段均采用成组法进行测试，进行数据处理时，在同一应力水平，通过求取均值和方差，然后结合变异系数系数，可得到相应应力水平下对应成活率和置信度的循环次数。第三区段采用升降法进行测试，循环次数需要根据各应力水平出现的次数和总的数据个数进行计算。

本发明提供的电池包铝合金P-S-N曲线测试方法具有如下有益效果：

基于电池包所处实际环境来获得的应力比和加载频率，获得的试验数据更符合产品的实际使用环境，获得疲劳寿命数据在实际产品寿命预测中准确性更高；获得的P-S-N曲线可以根据相应概率水平完成对电池结构的可靠性设计与寿命预测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、保持实际使用状态的原板厚度，一侧抛光，一侧保持原始状态，抛光粗糙度Ra≤0.2μm；

S2、将P-S-N曲线分为三个区段，设定各个区段的应力水平及试样数；

S3、设定测验参数，即关注部位的峰值穿越频率及应力比值；

S4、基于设定的测验参数及应力水平对各试样进行S-N曲线的测试，并绘制P-S-N曲线。

2.如权利要求1所述电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法，其特征在于，所述峰值穿越频率获取方法具体如下：

S11、对电池包进行振动加速测试，采集关注部位的时域振动路谱，关注部位位于安装部位上；

S12、将时域振动路谱转换成频域振动路谱；

S13、建立电池包有限元模型及车体安装部位的有限元模型；

S14、采用频域振动路谱对建立的有限元模型进行随机振动响应分析，获取关注部位的峰值穿越频率。

3.如权利要求1所述电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法，其特征在于，应力比值的获取方法具体如下：

S11、对电池包进行振动加速测试，采集关注部位的时域振动路谱；

S13、建立电池包有限元模型及车体安装部位的有限元模型；

S21、选定时域振动路谱中的工况，在所述工况下对电池包进行设定时长的瞬态动力学分析，获取关注部位所有时刻中最大主应力及最小主应力，最大主应力与最小主应力的比值即为实验设定的应力比。

4.如权利要求2所述电池包用铝合金P-S-N曲线测试方法，其特征在于，频域振动路谱的获取方法具体如下：

S121、对采集的时域振动路谱进行平稳性、历经性、正态性检验，剔除不满足检验的异常点；

S122、对时域振动路谱进行快速傅里叶变换获得加速度功率谱，功率谱密度数据进行开自然对数，获得多种工况下加速度功率谱曲线；

S123、将多种工况下的加速度功率谱曲线拟合成一条加速度功率谱曲线，即频域振动路谱。