1. 引言
几十年来，为实现双碳目标，国家电网大力发展以新能源为主体的新型电力系统，大规模投入储能系统参与电网调峰调频。现如今，储能电池舱已经广泛应用于电力系统，但如何保证储能电池箱的结构在运输过程中能够承受各类环境的振动，是储能电池舱在设计开发阶段极为重要的一环。在研发过程中，必要地使用仿真软件提高研发效率，有利于降低研发成本。
现阶段的大部分电池舱的随机振动研究都是以新能源动力电池箱研究为主，例如昂金凤等[1]借助仿真软件，对动力电池包施加功率谱密度，以用来进行结构的优化的；而对于储能预制舱的结构研究，大部分都是静力性能试验或者为主，例如程智余等[2]利用ABAQUS研究储能预制舱的竖向静力性能；张文威等[3]采用CAE软件对其雪载、风载、地震荷载强度等进行分析并验证其可靠性。然而，针对储能预制舱在运输过程中的随机振动特性的研究相对较少，这一领域的深入探索对于确保储能系统的安全和稳定性至关重要。
本篇基于三维仿真软件，以储能电池舱的装配单元结构为研究对象，通过试验与仿真分析相结合的手段，研究了焊接结构和铆接结构的两种连接方式下的结构质量。
2. 储能电池舱振动试验标准
2.1. 储能电池舱振动试验的标准
在工程实践中，通常使用频域的谱分析法对结构进行随机振动分析，从应力谱密度出发，得到应力幅值的概率密度函数，进而进行随机振动疲劳分析[4]-[6]。
功率谱密度(PSD)是一种概率统计方法，是对随机变量均方值的量度，功率谱密度可以是位移功率谱密度、速度功率谱密度、加速度功率谱密度或力功率谱密度等形式。
数学上，功率谱密度值–频率值的关系曲线下的面积就是方差，即相应标准偏差的平方值。
随机振动分析可以是单点，可以是多点，在单点随机振动分析时，要求在结构的一个点集上指定一个功率谱密度；在多点随机振动分析时，则要求在模型的不同点集上指定不同的功率谱密度。本篇采用的是单点随机振动，数据采用加速度功率谱密度[1]。
根据GB/T 36276-2023中的6.7.2.3振动性能试验，对我司的结构模型进行振动仿真试验，对应的垂向、纵向和横向加速度功率密度谱，对预制舱模型进行随机振动分析，确定预制舱结构在三个方向上的易发生破坏的危险部位，基于频响结果的振动疲劳分析为产品的优化改进提供依据。
本篇试验的PSD参数如表1所示。
Table 1. System resulting data of standard experiment
表1. 加速度功率谱密度参数
|
频率(Hz) |
加速度功率谱密度(g2/Hz) |
X轴 |
5 |
0.00200 |
|
10 |
0.01800 |
|
15 |
0.01800 |
|
200 |
0.00001 |
Y轴 |
5 |
0.00500 |
|
10 |
0.02500 |
|
15 |
0.02500 |
|
60 |
0.00010 |
|
100 |
0.00010 |
|
200 |
0.00001 |
Z轴 |
5 |
0.00800 |
|
10 |
0.04200 |
|
15 |
0.04200 |
|
40 |
0.00050 |
|
100 |
0.00050 |
|
200 |
0.00001 |
2.2. 有限元分析的基本思想
材料的物质结构和性质是比较复杂的，为了研究上的方便，必须忽略某些次要性质，只保留他们的主要属性，将其简化为一个理想化的模型。
预制舱舱体上存在很多圆角、翻边、小孔等细微特征，为了提高预制舱模型网格划分质量，提高后续有限元分析计算的速度与精度，将线束、电池管理系统、消防系统等删去，只留下主要结构，删除模型上的尺寸小于5 mm的孔，去除小的倒角，清除模型上的重面，漏面予以填补，对相邻边界的单一自由边进行合并处理。
由于本篇采用的结构由多个重复结构组成，为降低计算成本，只针对主要的装配单元做分析。
河南航天精工制造有限公司周杰等人[7]研究了铆螺母铆接厚度影响，其中提及到铆接结构拔出过程主要以安装板变形、失效为主，同时镦头部分轻微变形，未发生镦头断裂失效。本篇侧重于振动分析过后金属板材Q235 B是否会失效，因而用普通的螺栓和螺母代替铆接的过程，降低计算成本。
ANSYS的随机振动分析是基于模态分析开展的。模态分析时不能加载载荷，模态又可以简单地分为有约束的普通模态。普通模态至少有一个约束边界条件，而自由模态无任何约束边界条件端的无任何约束边界条件工况。本篇采用普通模态分析。
2.3. 箱体的材料选择
Q235 B为一种碳素结构用钢，通常情况下，该钢不经过热处理直接进行使用。我司主要采用厚度为4 mm和5 mm的Q235 B钣金折弯件，Q235 B的材料属性见表2。
Table 2. Q235 B material properties
表2. Q235 B材料属性
弹性模量(N/m^2) |
泊松比 |
质量密度(kg/m^3) |
张力强度(N/m^2) |
屈服强度(N/m^2) |
2.1E+11 |
0.274 |
7830 |
3.90E+08 |
2.35E+08 |
3. 储能舱舱体分析前处理
3.1. 添加材料
我司采用外购的电池模组，单个模组质量为300 kg，因模态分析不能添加载荷，但模态分析与质量直接相关。
因而本篇通过设计与电池模组相类似的实体，通过测量体积为0.13608 m^3，质量为300 kg，计算出相应位置的密度约为2205 kg/m^3。通过设置模组的密度，模拟模组的质量，有利于减少工作量，提高了仿真分析的真实性和可靠性。
3.2. 单位
网格单元的大小将会对分析结果的精度有较大影响。自动划分法是默认的网格划分方法，当模型形状规则，能被扫略时会优先使用扫略方法划分网格，否则软件将使用四面体单元网格划分。为了减少计算量，本篇是直接采用的默认的网格进行划分。
模型共有137,874个单元，312,989个节点。网格划分如图1所示。
Figure 1. Finite element mesh model of energy storage battery Co MPartment
图1. 储能电池舱有限元网格模型
3.3. 施加约束条件
公式如图2所示，根据实际情况，对相应部分(试验架底座)添加了固定支撑。
因两种连接方式的不同，焊接的连接方式在ANSYS中采用焊点的连接方式。
首先在DM (design model)中对模型进行处理，在焊接处设置焊点。如图3所示，在Model中焊点已经设置完成。
Figure 2. Fixed support set
图2. 固定支撑设置
Figure 3. The setting of the solder joint
图3. 焊点的设置
因螺栓锁接较为简单，因而直接采用绑定(bond)连接。
3.4. 设置PSD
根据表1所提供的数据，对模型添加固定约束条件进行约束模态分析，得到电池箱模型的前六阶固有频率和振型，根据模态结果分析是否会出现共振。以模态结果为基础进行随机振动分析，设置了三个方向(x, y, z)的PSD加速度，求出电池箱模型在表1的PSD参数下的结果即三个方向的定向变形和等效应力。结合相应的随机振动属性设置进行分析，查看云图找到薄弱区域以及危险部位。
4. 分析后处理
因三个方向加速度的仿真过程以及后处理步骤相同，本篇先以焊接连接的情况下为例进行说明和以螺栓连接的情况下的Z轴振动疲劳损伤作分析。
4.1. 焊接连接下的定向变形
因为随机振动分为XYZ三个方向，因而定向变形也分为三个方向。Z轴的定向变形云图如图4所示，因概率因子不同，根据1 Sigma、2 Sigma、3 Sigma等三种情况，分别展示在焊接连接下的Z轴的定向变形情况。
(a)
(b)
(c)
Figure 4. Z-axis directional deformation cloud diagram of welded connection. (a) 1 Sigma; (b) 2 Sigma; (c) 3 Sigma
图4. 焊接连接Z轴定向变形云图。(a) 1 Sigma情况；(b) 2 Sigma情况；(c) 3 Sigma情况
如图4所示，1 Sigma情况下的变形量最大为0.10649 mm，2 Sigma情况下的变形量最大为0.21297 mm，3 Sigma情况下的变形量最大为0.31946 mm。最大变形量均小于0.5 mm，在安全裕度之内。
如图5所示，是焊接连接的等效应力变形，等效应力最大为866.8 MPa，图5(b)为等效应力最大处的放大云图，应力最大处为试验架的中间挡片，挡片除了应力奇点外，其余大部分的等效应力小于235 MPa (材料的屈服强度)，符合要求[8]。
(a)
(b)
Figure 5. The equivalent stress of welded joint deformation. (a) Equivalent stress; (b) Location of maximum equivalent stress
图5. 焊接连接的等效应力变形。(a) 等效应力；(b) 等效应力最大处
4.2. 螺栓连接下的定向变形
对比于焊接连接的模型，我们螺栓连接的模型做了一些处理，焊接连接的模型的连接处是封闭的，而螺栓连接的连接处我们增设了螺孔和螺栓。
如图6所示为螺栓连接下的定向变形仿真云图。定向变形云图共有三张根据1 Sigma、2 Sigma、3 Sigma等三种情况，分别展示在螺栓连接下的Z轴的定向变形情况。
如图6所示，1 Sigma情况下的变形量最大为0.15409 mm，2 Sigma情况下的变形量最大为0.30818 mm，3 Sigma情况下的变形量最大为0.46227 mm。最大变形量均小于0.5 mm，在安全裕度之内。
(a)
(b)
(c)
Figure 6. Z-axis directional deformation cloud diagram of bolted connection. (a) 1 Sigma; (b) 2 Sigma; (c) 3 Sigma
图6. 螺栓连接Z轴定向变形云图。(a) 1 Sigma情况；(b) 2 Sigma情况；(c) 3 Sigma情况
(a)
(b)
Figure 7. Equivalent stress deformation of bolted connection. (a) Equivalent stress; (b) Location of maximum equivalent stress
图7. 螺栓连接的等效应力变形。(a) 等效应力；(b) 等效应力最大处
如图7所示，是螺栓连接的等效应力云图，等效应力最大处为11181 MPa。图7(b)为等效应力最大处的放大云图，最大处为试验架的中间挡片，挡片除了应力奇点外，其余部分的等效应力小于235 MPa (材料的屈服强度)，符合要求。
4.3. X轴变形与Y轴变形
为更全面、更直观地评估产品的安全系数，我们以表格的形式列出了X方向和Y方向的变形。
如表3和表4所示，我们分别列出了焊接连接和螺栓连接这两种方式下进行随机振动分析的仿真云图。随机振动的数据如表1所示。
可以看出，从1 Sigma到3 Sigma，变形数值逐渐变大。
焊接连接与铆接相比较，在X方向中，使用焊接连接方式的变形量更小；而在Y方向中，则使用铆接连接方式的变形量更小。在X方向中，3 Sigma情况下，铆接连接的最大变形量约为5.18，焊接连接的最大变形量约为3.21。
在Y方向中，3 Sigma情况下，铆接连接的最大变形量约为2.19，焊接连接的最大变形量约为2.27。
Table 3. X-axis deformation under different connection modes
表3. 不同连接方式下X轴的变形
Table 4. Deformation in the Y-axis under different connection methods
表4. 不同连接方式下Y轴的变形
铆接接头与焊接接头相比，在横向Y轴方向上，其变形量更小，更为稳定；但在纵向Z轴方向上，焊接连接更为稳定。
同时，X与Y方向中，试验架的上部分吊耳处的变形比较严重，吊耳处位移比较大，是由于此处离固定点最远，但变形量比较小，并且吊耳是用于振动试验中移动的，因而对于整体的影响不大，不影响实际的使用。
5. 振动试验分析
为了进一步确定仿真分析的真实性，按照三维模型，我司将1:1的实际模型送去进行振动试验，振动频率参数可见表1。
其中X、Y、Z三轴的振动时间均为2小时。
振动台型号为苏州苏试的Dc-20000-200，可负载质量达2000 kg。
如图8所示，是产品在试验台上的状态，四角使用压板螺栓锁在振动台面上，可视仿真状态中的固定支撑，两者的固定约束相同。
试品采用砝码模拟电池模组的质量，砝码用螺钉进行固定约束，以求获得电池托架的真实振动损伤。
因螺栓连接生产效率高，产品实际使用螺栓连接，所以试验架的连接采用铆接的连接方式。
Figure 8. Z-axis vibration test
图8. Z轴振动试验
试验完成后，对试品进行了检查，支架无弯曲开裂，拉铆螺母处无松动，螺栓无松动现象。试品运回工厂后，对试品进行了详细检查和解剖。如图9所示可见试品解剖，无明显损伤。
Figure 9. Dissection of mechanical structure test sample
图9. 机械结构试样的解剖
同时，我们进行实际状况的试验，将预制舱运输到投运现场后，预制舱未出现变形、断裂等现象，同时经过相关投运前试验检验，舱内设备未出现故障。通过实际运输过程中测试和仿真计算的随机振动进行比较，验证了预制舱结构设计满足车载运输条件下随机振动的要求[9] [10]。
6. 结论
本篇具体阐述了运用有限元仿真技术，通过ANSYS软件建立了在两种连接方式下有限元仿真模型，并对其进行了随机振动分析，得到主要结论如下：
a) 通过以上分析，可以得出焊接结构比铆接在X和Y方向中，其变形量更小，焊接连接的方式较为稳固；但在Z方向中，铆接连接的方式变形量更小，更为稳固。
b) 我司后对试品进行实际的振动测试，从试验品的解剖来看，试品的铆接处无损伤，符合要求。
c) 通过实际运输过程中，在运输完成后预制舱电池支撑结构未出现变形，裂纹，螺栓松动等现象，验证了仿真计算结果的准确性，同时进一步证明预制舱结构满足移动变电站运输过程中随机振动过程中的抗冲击载荷要求。
d) 经过仿真分析，等效应力最大处为试验架的中间挡片，挡片是用于对电池箱模块进行限位的，后续在设计的过程中，我们会对电池箱挡片进行进一步的优化改进。