CN114722678A - 一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法 - Google Patents

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冯锋义
孔智达
刘敢闯
南富乾
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Abstract

本发明公开一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，包括以下步骤：S1:根据压缩设计参数将有限元数值模拟模型中泡棉类部件的尺寸由初始尺寸优化为装配完成后的尺寸；S2：对现有的泡棉类部件的应力‑应变曲线进行处理，得到转换后的压缩压力‑应变曲线；S3：对转换后的压缩压力‑应变曲线进行调整处理得到实际工况的压缩压力‑应变曲线。考虑了泡棉类部件的初始压缩状态，对于泡棉类部件后续持续的压缩作用能够准确模拟；降低因为泡棉类部件及其部件在有限元建模中的处理不当对虚拟仿真结果的影响，提升对产品真实性能判断的准确性。

Description

一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法
技术领域
本发明涉及模拟分析技术领域，特别涉及一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法。
背景技术
电池包作为新能源汽车的动力源，其内部一般包括水冷组件、模组组件等，在水冷组件一般由水冷板和支撑泡棉组成，模组中在相邻电芯间通常设计有吸收电芯尺寸公差、提供模组初始装配力、电芯间隔热以及吸收电芯循环膨胀力等功能的隔热垫，这些支撑泡棉、导热垫、隔热垫通常为发泡的泡棉类材料。
新能源电池包的设计中一般需要评估电池包受到挤压、底部球击、电芯膨胀、模组挤压等各种工况条件下的结构强度是否满足要求，防止电池包出现安全风险。对于电池包结构安全风险的评估除了直接进行测试外，一般会采用有限元数值仿真的手段，通过仿真得到电池包在各工况下的响应结果，通过虚拟仿真的结果评估电池包安全风险的大小并进行针对性的优化，可以大规模缩短产品开发于测试验证周期，并为设计优化提供很好的参考。
在电池包的挤压、底部球击、电芯膨胀、模组挤压等工况中，上述的各类泡棉材料的压缩变形情况对虚拟仿真的结果影响很大，在一定程度上决定了结构是否满足要求。由于泡棉类材料的可压缩性，并且在结构装配过程中泡棉类部件通常预留有一定的初始压缩量以保证可以吸收装配公差并提供产品的初始刚度等，以水冷板下部的支撑泡棉为例如图1，自由状态下模组/电芯与电池包箱体之间存在间隙，通过螺栓固定模组的同时使泡棉压缩完成装配过程，因此泡棉材料部件在有限元软件中的建模以及其材料本构参数在有限元软件中的输入对评估结果影响巨大。
目前的通用做法是在有限元软件中直接输入泡棉材料的原始压缩曲线(图2)来模拟该类泡棉材料的压缩行为，该通用做法的缺陷有以下两点：
1.泡棉类材料的部件在设计中通常有一定的初始压缩量，在产品装配完成后已经处于压缩状态，此时直接采用应力-应变从0开始的原始压缩曲线显然不能准确的反应初始已经受压缩的这种状态；
2.由于没有考虑泡棉材料部件的初始压缩量，虚拟仿真结果必然失真，影响对产品真实性能的评价和判断。
发明内容
针对现有技术中有限元数值模拟中泡棉类部件没有考虑初始压缩量，导致模拟精度较低的问题，本发明提出一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，通过在有限元数值分析建模阶段，根据泡棉类部件的初始设计压缩量等信息对泡棉类部件的模型和材料的力学本构参数进行修正，以模拟该部件初始受压缩的受力状态，能够进行准确模拟，提升对产品真实性能判断的准确性和有效性
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，具体包括以下步骤：
S1:根据压缩设计参数将有限元数值模拟模型中泡棉类部件的尺寸由初始尺寸优化为装配完成后的尺寸；
S2：对现有的泡棉类部件的应力-应变曲线进行处理，得到转换后的压缩压力-应变曲线；
S3：对转换后的压缩压力-应变曲线进行调整处理得到实际工况的压缩压力-应变曲线。
优选地，所述S1中，尺寸优化方法为：
H'＝H*(1-k) (1)
公式(1)中，H'表示装配完成后泡棉类部件的尺寸，H表示泡棉类部件初始尺寸，k表示压缩设计参数。
优选地，其特征在于，所述S1中，压缩设计参数k为30％。
优选地，所述S2中，应力-应变曲线处理方法为：
ε2＝(ε1-k)*(1-k) (2)
公式(2)中，ε1表示原始的压缩应变，k表示压缩设计参数，ε2表示转换后的压缩应变。
优选地，所述S2中，在对应力-应变曲线处理过程中，只对应变进行处理，应力保持不变。
优选地，所述S3中，将转换后的压缩压力-应变曲线中应变为负的曲线段删除，同时设计应变为0时对应的应力为0，从而得到实际工况的应力-应变曲线。
优选地，所述S3中，实际工况包括电池包挤压、底部球击、电芯膨胀、模组挤压。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.考虑了泡棉类部件的初始压缩状态，对于泡棉类部件后续持续的压缩作用能够准确模拟；
2.降低因为泡棉类材料及其部件在有限元建模中的处理不当对虚拟仿真结果的影响，提升对产品真实性能判断的准确性。
附图说明：
图1为电池模组装配前水冷板支撑泡棉示意示意图。
图2为自由状态下泡棉类部件压缩应力应变原始曲线示意图。
图3为电池模组装配后水冷板支撑泡棉受压缩示意图。
图4为根据本发明示例性实施例的转换后泡棉类部件压缩应变-应力曲线示意图。
图5为根据本发明示例性实施例的实际工况泡棉类部件压缩应变-应力曲线示意图。
图6为根据本发明示例性实施例的一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟的优化方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图6所示，本发明提供一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟的优化方法，具体包括以下步骤:
S1:根据压缩设计参数k将有限元数值模拟模型中泡棉类部件的尺寸由初始尺寸优化为装配完成后的尺寸。
本实施例中，如图1所示，自由状态下模组/电芯与电池包箱体之间存在间隙，间隙中填充有水冷板和泡棉类部件(如支撑泡棉，由泡棉材料构成)，在一般有限元数值模拟模型中，此时泡棉类部件的高度尺寸为输入的初始尺寸。
如图3所示，装配过程中，通过螺栓固定模组的同时使泡棉类部件压缩，最后完成装配，即泡棉类部件的尺寸发生了变化，若有限元数值模拟模型中泡棉类部件的尺寸还是初始尺寸，那对模拟结果将造成影响，降低性能模拟精度。
因此需要考虑泡棉类部件初始受压缩的状态，有限元建模的过程中，将泡棉类部件的尺寸更新为装配压缩完的尺寸。
H'＝H*(1-k) (1)
公式(1)中，H'表示装配压缩完的尺寸，H表示初始尺寸，k表示压缩设计参数。
如泡棉类部件的初始尺寸(厚度)为10mm，压缩设计参数为30％，则在有限元数值模型中泡棉类部件装配完成后的尺寸为7mm。
S2：对泡棉类部件的应力-应变曲线进行处理，得到转换后的压缩压力-应变曲线。
本实施例中，如图2所示，为自由状态下泡棉类部件的压缩应力-应变曲线(这是现有的曲线)，可以看出此曲线是没有考虑装配完成后泡棉类部件处于受压缩的状态，这样在有限元分析中随着泡棉类部件的被压缩，假设初始泡棉的压缩量为30％，泡棉类部件的应力应当是从30％压缩量对应的应力继续上升，但实际环境下(电池包挤压、底部球击、电芯膨胀、模组挤压等工况)，泡棉类部件应是从装配完成才由于外界因素影响发生形变，从而产生应力，即在实际模拟分析过程中，泡棉类部件的压缩量是从0％开始(S1中已对泡棉类部件的尺寸进行了优化)。
本实施例中，可通过如下的应变转换公式对泡棉类部件的应力-应变曲线进行处理，从而得到转换后的应力-应变曲线，如图4：
ε2＝(ε1-k)*(1-k) (2)
公式(2)中，ε1表示原始的压缩应变，k表示压缩设计参数(即泡棉类部件的初始压缩量)，ε2表示转换后的压缩应变。
本实施例中，在换过程中，只对曲线的应变进行转换，而对应的应力保持不变，图2所示的自由状态下泡棉类部件压缩-应力曲线，图4为考虑泡棉初始压缩量30％转换后泡棉类部件压缩应变-应力曲线。
S3：对转换后的压缩压力-应变曲线进行调整处理得到实际工况的压缩压力-应变曲线。
从图4中可看出，转换后的压缩压力-应变曲线中存在应变为负的情况，由于在实际的有限元分析模型中，实际压缩应变应从0开始，因此需要对转换后的压缩压力-应变曲线进行调整，删除应变为负的曲线段，同时保证应变为0时对应的应力为0，而当应变有微小的增加时(如应变增量为0.001时)，应力为转换后应变为0时对应的应力，如图5所示。
经过本发明所述方法的处理，在电池包挤压、底部球击、电芯膨胀、模组挤压等工况的有限元数值分析中，当泡棉类部件受到压缩力作用时，泡棉的力学响应将从压缩量30％开始，与实际泡棉装配后的初始压缩量为30％时的力学表现一致，降低因为泡棉材料及其部件在有限元建模中的处理不当对虚拟仿真结果的影响，提升对产品真实性能判断的准确性。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1:根据压缩设计参数将有限元数值模拟模型中泡棉类部件的尺寸由初始尺寸优化为装配完成后的尺寸；
S2：对现有的泡棉类部件的应力-应变曲线进行处理，得到转换后的压缩压力-应变曲线；
S3：对转换后的压缩压力-应变曲线进行调整处理得到实际工况的压缩压力-应变曲线。
2.如权利要求1所述的一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，其特征在于，所述S1中，尺寸优化方法为：
H'＝H*(1-k) (1)
公式(1)中，H'表示装配完成后泡棉类部件的尺寸，H表示泡棉类部件初始尺寸，k表示压缩设计参数。
3.如权利要求2所述的一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，其特征在于，所述S1中，压缩设计参数k为30％。
4.如权利要求1所述的一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，其特征在于，所述S2中，应力-应变曲线处理方法为：
ε2＝(ε1-k)*(1-k) (2)
公式(2)中，ε1表示原始的压缩应变，k表示压缩设计参数，ε2表示转换后的压缩应变。
5.如权利要求1所述的一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，其特征在于，所述S2中，在对应力-应变曲线处理过程中，只对应变进行处理，应力保持不变。
6.如权利要求1所述的一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，其特征在于，所述S3中，将转换后的压缩压力-应变曲线中应变为负的曲线段删除，同时设计应变为0时对应的应力为0，从而得到实际工况的应力-应变曲线。
7.如权利要求1所述的一种用于泡棉类部件在有限元数值模拟中的优化实现方法，其特征在于，所述S3中，实际工况包括电池包挤压、底部球击、电芯膨胀、模组挤压。
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