有限元分析在蓄电池槽设计中的应用

李春景 李 军 孙 磊（浙江天能电池（江苏）有限公司，江苏 沭阳 223600）

有限元分析在蓄电池槽设计中的应用

李春景 李 军 孙 磊
（浙江天能电池（江苏）有限公司，江苏 沭阳 223600）

文章使用SolidWorks软件建立蓄电池槽的有限元分析模型，分析了3种受力条件下的应力和变形情况，为蓄电池槽强度分析和改进设计提供了参考依据。

有限元；蓄电池槽；设计；应用

1.引言

蓄电池槽是蓄电池反应的容器，具有承载并保护极群的作用。蓄电池槽的壁厚设计时，既要有足够的厚度保证强度，又要容易散热，减少电池内部高温对寿命的影响。因此，设计出壁厚合理的蓄电池槽对蓄电池产品性能有重要的意义。在实际设计工作中，需要经过长期的经验积累和反复试验摸索最佳的壁厚参数，周期较长而且不够直观。本文使用SolidWorks软件构建蓄电池槽的三维模型，利用有限元分析插件SimulationXpress生成了蓄电池槽的应力分布及变形情况，为蓄电池槽的结构改进设计提供参考。

2.有限元理论及软件

有限元法就是把连续结构分散成一定数目的具有多个节点的单元，将连续结构看做只是在节点处组合的一系列单元。进行有限元分析，先要将分析对象的实体模型分散为一组有限数量的单元体，这些单元按照一定方式相互组合在一起，同时在每个单元体上施加相应载荷，然后分析计算每个单元体变化的位移和受到的节点力。

SolidWorks是一款进行机械设计的软件，设计师可以运用该软件快速的将设计思维转化为草图，运用各种特征工具将草图快速生成三维模型。SolidWorks软件中的SimulationXpress插件可以进行实用的有限元分析，是一种简单易用的应力分析工具。SimulationXpress向导界面包括夹具、载荷、材料、运行、结果和优化等步骤，如图1所示。SimulationXpress分析结果可以显示应力分布、位移分布、模型变形形状和安全系数，并可以导出文档报告和SolidWorks eDrawing报告。

图1　SimulationXpress向导界面

3.蓄电池槽有限元分析

本文以常见的6-DZM-12蓄电池槽为例，其6个单体槽格按照2×3结构排列，外形尺寸为150mm×100mm×88mm，侧壁厚和底厚均为2.5mm，单体槽间的隔筋均为1mm。先使用SolidWorks建立6-DZM-12蓄电池槽的三维模型，为便于有限元分析，建立模型时忽略了脱模斜度和过渡圆角。SolidWorks软件中ABS材料弹性模量为210MPa。蓄电池槽经过网格化处理，划分为8765个四面体网格，节点数为17144个，网络单元体划分结果如图2所示，网格信息见表1。

图2　蓄电池槽模型网格划分

表1　蓄电池槽网格信息

（1）装配压强分析

VRLA电池的极群使用AGM紧装配工艺，AGM隔板具有一定的弹性，当极群装入蓄电池槽中时，对蓄电池槽有一定的压强。6-DZM-12电池极群的最大装配压强能达到100kPa，在该蓄电池槽长边的内侧面施加100kPa向外的压强，同时约束上下面，如图3。

图3　装配压强载荷分布和约束条件

通过SimulationXpress对蓄电池槽结构进行分析计算，得到蓄电池槽在装配压强作用下应力和位移分布情况。最大应力为19MPa，出现在槽口位置，但是远远小于ABS材料弹性模量210MPa。如图4所示，最大位移出现在单格槽侧面的中心位置，最大变形位移为0.7mm。蓄电池槽宽度最大位移量已接近±2mm的产品安装尺寸要求。

图4　装配压强作用等效位移分布

（2）气压分析

VRLA电池在充电过程中会产生气体，当压力过高时，须从安全阀排出，DZM系列电池的最高开阀压力一般设置为30kPa。蓄电池槽内部各个面会受到向外的压强，由于长侧面的装配压强大于气压，所以这里只研究短侧面。

通过SimulationXpress计算，得到蓄电池槽在气压作用下应力和位移分布情况。最大应力为5MPa，出现在槽口位置。如图5所示，最大位移出现在单格槽侧面的中心位置，最大变形位移为0.2mm。

图5　气压作用等效位移分布

（3）底部冲击分析

电动自行车蓄电池安装方式现在大多水平放置于踏板处，当车辆在颠簸路段行驶时，蓄电池受到的冲击主要来自底部。约束蓄电池槽的侧面，施加载荷为蓄电池重量的3倍，即3g的冲击力。

经过SimulationXpress计算，得到蓄电池槽在底部冲击力作用下应力和位移分布情况。最大应力为0.5MPa，出现在底部中心。如图6所示，最大位移出现在单格槽底部的中心位置，最大变形位移为0.02mm。

4.结语

通过对蓄电池槽在装配压强、气压和底部冲击作用下进行有限元分析，快速得出了各个面的应力和位移分布情况。由于蓄电池槽所受的最大应力远小于ABS塑料的弹性模量，所以壁厚的设计主要参考位移分布情况。通过有限元分析，发现该蓄电池槽的侧面和底部都有结构改进的空间，为产品升级提供理论参考。

图6　底部冲击等效位移分布

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编辑：季晨宸