软包锂电池分档机机架的有限元分析

严海科，林光春，陈世超，徐炳辉

软包锂电池分档机机架的有限元分析

严海科，林光春，陈世超，徐炳辉

（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）

机架是软包锂电池分档机的重要支撑部分，为了研究其在工作状态下的特性，掌握其应力应变等情况，明确机架在工作受力后的薄弱部位再进行优化。首先，根据分档机的工作状况分析机架的工作特性，确定机架的结构参数；其次，运用三维建模软件SolidWorks建立整个分档机的三维模型，再导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，对建立的三维模型进行静力学分析与模态分析；再次，求解出机架的总变形云图、等效应力应变云图以及机架的前6阶模态振型与频率；最后，运用SolidWorks Simulation有限元分析软件对焊接后机架进行强度应力分析，与理论计算出来的许用应力进行比较，判断焊接处是否符合焊接工艺设计要求。

分档机机架；ANSYS Workbench；SolidWorks Simulation；焊接应力

近年来，随着新能源汽车行业的迅速崛起，作为新能源汽车核心部件的动力锂电池也随之迎来蓬勃发展。锂电池的下游应用市场可分为三大板块，分别是消费类电子产品（电脑、手机、移动充电电源等）、工业&储能（电网储能、移动通信基站电源及家庭储能等）以及电动交通工具（新能源公交车、新能源汽车等）。

如今，国内外锂电池产业基本是集中在中国、韩国以及日本。国内的部分动力电池产业链知名企业有：比亚迪（从原材料到电池、电机、电控再到整车，形成产业链闭环模式）、CATL（从原材料到电池组再到回收应用以及锂电池检测设备领域都有所涉足）、国轩高科（涵盖了磷酸铁锂正极材料、电芯生产、BMS以及PACK等环节）。而在国外锂电池市场，则仍是LG化学、三星SDI以及松下的天下，它们的市场占有率高达76%。其中，日本在锂电池的研究发明方面一直处于世界领先地位，在2000年之前，日本在全球的市场份额达到95%。而韩国很注重在大型充电电池市场的占有。欧美一些国家采用跨越式的发展方法，靠自己的设备来生产装备锂电池。如Duracell、Polystor、美国Moli能源公司等等。无论是在电池的稳定性、循环寿命以及电池的一致性上面较国内有很大优势，同时对下游产业链的吸引力也较大。

软包锂电池分档机是根据上一流程测得的软包电池相关数据而进行的自动化筛选装置。现在仍然存在一些企业用人工进行遴选电池的优劣好坏，不仅生产成本高而且效率低下，同时工人的劳动强度高。为此，需要设计一款自动分档机，以降低生产成本、提高效率并降低工人的劳动强度。

机架是整软包电池分档系统最主要的承载部件，在整个分档系统运动的情况下，机架将会受到动载荷的影响而发生轻微晃动或变形，进而会影响抓取机构对软包电池的精确定位与抓取，严重则可能会导致整个分档的失败。因此很有必要利用有限元分析软件ANSYS对分档机架进行静力学分析与模态分析，通过分析可以得出机架在受力后的总应变应力等情况，从而知道其不足之处再加以优化。

1 软包电池分档系统整体设计方案

软包电池分档系统主要由一个分档机线体总装、两个分档机及一个电控柜体等部分组成。

分档机线体总装是指在电池分选全程装载在托盘上的电池所要运动的路径以及流程的自动化线体。分档机的作用是实现电池的三维空间移动、抓取以及存放等动作。电控柜体的作用是控制整个分档系统的运动及流程。

此分档系统的运动原理是，在完成上一测试工位后的电池，以托盘作为电池载体，当满托盘来料时，定位后，运用线性模组组成的机械手进行抓取来料的软包电芯，根据前工序测得的相关数据进行分档，化成管理控制系统能够自动根据分选标准进行分选，并自动上传分选信息。当某一档位装满时，自动流出，随之而来的是被满盘分档出来的空托盘自动填位，实现满托盘进满托盘出。

在整个软包电池分档系统中最主要的承载部件是分档机的机架，故而很有必要对其进行有限元分析。分档机是由机架模块、抓取模块、运动模组模块等组成，如图1所示。

2 机架静力学分析

2.1 建立有限元机架模型

机架主要是由材料为Q235A的方管焊接组成，构成该焊接机架的整体长宽高为2980 mm×2960 mm×1030 mm。利用SolidWorks进行几何建模，然后通过软件自动接口程序来完成对几何数据的自动导入，导入到ANSYS中。由于铝型材是标准件以及为了分析简便，去除铝型材之间的一些连接件以及地脚之间的连接，为弥补误差，在后续进行有限元分析机架时设定方管之间连接方式为Bonded的接触类型。导入后的有限元机架模型如图2所示。

2.2 划分网格

网格的疏密程度直接影响到计算结果的精度与正确性，所以必须选择合理的网格类型以及网格划分方法。经过几次反复试验的网格划分，发现对机架进行网格划分的结果并没有随着网格的加密而改变很大，即当网格细化后，解没有明显的改变。而这一结果没有多大改变的初始划分方法是Automatic（自动网格划分），在Sizing中也没有使用高级网格划分方式，此时对应的Relevance Center（相关性中心）为Coarse模式，Element Size（单元尺寸）设置为默认。由于这是用于结构的计算，Smoothing（平滑度）设置为Low。由于该材料是Q235碳素钢，对应的材料参数如表1所示。经过对分档机机架的网格划分之后，该有限元机架模型中包含了128667个节点数和57715个单元数。该机架网格划分结果如图3所示。

1.抓取模块 2.运动模组模块 3.档位模块 4.机架模块 5.电控模块

图2 有限元机架模型

表1 材料力学参数

图3 机架网格划分

2.3 施加载荷与约束

对机架施加载荷与约束是有限元静力学分析基础的一步，也是最关键的一步。该分档机机架施加的载荷与约束为：

（1）施加载荷：如表2所示，施加的载荷为机架在各个层面上的部件的重量，且其重力是均匀分布在方管的各个面上，所以在Loads里面设置为Pressure。在最上面的第一层方管上所承受重量为1＝907.9 N，接触面积为1＝693600 mm2，可得1＝1308.97 Pa；而下方第二层方管上均匀所承受的重量为2＝483.16 N，其接触面积为2＝298080 mm2，可得2＝1620.9 Pa。两层重量的方向均是指向轴向下。

表2 机架上各部分质量

（2）位移约束：对焊接机架的底座，即方通上各个底部接触面，设置为Fixed Support将其固定约束。施加的载荷与位移约束的分档机机架有限元模型如图4所示。

2.4 静力学结构分析

通过求解可以得到图5～图7。

图4 施加载荷与约束的机架有限元模型

图5 总变形分布云图

图6 机架等效应变图

图7 机架等效应力图

对机架进行静力学有限元分析可知，机架受力最大的位置是在上层侧边方管的中间处，其最大的总变形为0.04034 mm，最大应力为2.6733 MPa＜[]＝235 MPa（Q235A的屈服强度）。由此可知，此分档机的机架结构可以满足强度设计要求。

3 机架模态分析

模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析是最基本的动力学分析，也是其他动力学的基础。模态分析可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，从而使结构设计避免共振，且有助于在结构动态响应与其他动力特性分析中估算求解控制参数。并指导工程师预测在不同载荷作用下结构的振动形式。由于低阶模态对结构的动态特性影响较大，所以选择前6阶的模态频率与主要振型进行研究，分析结果如图8以及表3所示。

表3 机架的前六阶模态频率

由图8与表3可知，分档机的机架模态频率分布在17～31 Hz之间，并伴随着振型阶数的增加而增加。其中4阶、5阶振型时，上层方管受影响最大。而上层电机的转速为960 r/min，级数为6，根据公式＝/60可得，＝96 Hz。由此可得，前6阶模态频率与电机运动时的频率相差较大，故而不会发生共振。

综上所述，采用ANSYS Workbench软件对分档机机架的静力学分析与模态分析的结果可信，该机架的设计满足生产使用要求。

4 焊缝强度校核

校核焊缝强度的目的是校验焊缝的设计以及焊缝工艺设计是否满足构件使用要求。如果焊缝所受的应力大于许用应力，则焊缝不能满足使用要求，需要改进焊缝工艺以及优化结构以达到焊缝使用强度要求。

4.1 焊接处有限元分析

由于整个机架每处的焊接工艺、焊接材料相同，故取焊接部分作为有限元分析对象，分析在焊接处应力的变化、焊接强度，再与此处计算出来的许用应力对比，判断是否符合焊接工艺设计要求。

这里运用了SolidWorks Simulation软件对两个方管焊接处进行强度分析，如图9所示。每处焊接部分的焊缝大小为5 mm，焊缝长度为每个方管的宽度为80 mm（针对宽度为40 mm的方管其焊接宽度为40 mm）。对这局部焊接结构材料、弹性模量、泊松比、密度、屈服强度等参数进行设定，经过分析之后，得到图10。此焊接处的应力最小值为1.706 MPa，应力最大值为8.752 MPa，其余焊接各处的应力值介于两者之间。

图8 机架各阶模态

4.2 许用应力计算

根据机械设计手册计算过程可知：

确定安全系数：对于一般质量的材料，通常在确定工作载荷与环境条件下的构件取＝2～2.5，这里取2.5。

图9 焊缝情况

图10 焊缝处应力分布图

4.3 强度校验

由上述分析可得焊缝工艺与构件设计能够满足使用设计要求。但此次分析校验过程没有考虑残余应力与其他缺陷等因素的影响，所以构件在使用前应当进行一些消除残余应力的特殊处理以减少载荷集中，并使焊接表面光滑，没有焊接缺陷。

5 结论

运用ANSYS Workbench 软件对分档机的机架进行静力学分析与模态分析，可以得出：

（1）对分档机机架进行有限元静力学分析，机架最大的受力位置在上层侧边方管中间处，其最大受力为2.6733 MPa＜[]＝235 MPa，满足分档机机架的强度要求。

（2）由模态分析可以得出分档机机架前6阶模态的固有频率以及各阶振型，其模态频率的范围为17～31 Hz，而已知电机的频率为96 Hz，因此可以得出该分档机的机架不会发生共振，满足生产使用要求。

（3）经有限元分析与计算比较得知，此机架的焊缝工艺能够满足使用设计要求。

此研究结果为整个软包电池分档机的后续优化及设计提供了参考。

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Finite Element Analysis of the Frame of Soft Pack Lithium Battery Sorting Machine

YAN Haike，LIN Guangchun，CHEN Shichao，XU Binghui

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

The frame is an important supporting part of the soft pack lithium battery sorting machine. In this paper, the characteristics of the frame under working conditions is studied to make clear of the stress and strain and other responses to the stress, and find out the weak part of the frameunder the stress. First, according to the working condition of the sorting machine, the working characteristics of the frame are analyzed, and the structural parameters of the frame are determined. Then, the 3D model of the entire sorting machine is built by the 3D modeling software SolidWorks, and then imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench to perform static analysis and modal analysis on the 3D model established. Next, the total deformation nephogram, the equivalent stress–strain nephogram and the mode shape and frequency of the first 6 modes of the frame are solved. Finally, simulation finite element analysis software SolidWorks is used to analyze the strength stress of the frame after welding, and compare it with the theoretically calculated allowable stress to determine whether the welding meets the welding process design requirements.

sorting machine frame；ANSYS Workbench；SolidWorks Simulation；welding stress

TH122；U473.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.010

1006－0316 (2020) 03－0057－06

2019－11－05

严海科（1991－），男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向为机构学与机器人学；林光春（1964－），男，四川成都人，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为机构学与机器人学。