駱海民

摘 要：新能源船舶的應(yīng)用是解決船舶污染的重要方法之一，鋰電池組具有成熟的技術(shù)與廣泛的工程應(yīng)用為新能源船舶提供了綠色解決方案。針對(duì)鋰電池組的三維模型，開展模態(tài)分析一方面能夠分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，另一方面能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)驗(yàn)證周期。利用Hyperworks軟件分析船用鋰電池組的模態(tài)，并結(jié)合汽車工程常用判據(jù)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果快速有效，為船用鋰電池結(jié)構(gòu)安全性與可靠性分析提供了解決思路。

關(guān)鍵詞：船舶污染；鋰電池；模態(tài)分析；Hyperworks

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.33.088

0 引言

船舶污染是環(huán)境污染的重要污染源之一。船舶在航行、港口停泊、貨物裝載、航海事故中都會(huì)產(chǎn)生污染物或者廢棄物對(duì)周圍水環(huán)境和大氣環(huán)境產(chǎn)生污染。船舶污染具有多樣性、流動(dòng)性、侵權(quán)性和危害性的特征。近年來，綠色新能源技術(shù)引入到船舶的能源應(yīng)用與管理中，以鋰電池技術(shù)為代表的新能源技術(shù)應(yīng)用，一方面可以提升能源的利用效率，另一方面能夠極大的降低環(huán)境的污染。船舶行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是我們共同追求的目標(biāo)，船舶能源的綠色化才能帶來綠水青山和金山銀山。

1 鋰電池組模態(tài)分析

船舶運(yùn)行維護(hù)環(huán)境較為復(fù)雜，一旦遇到極端環(huán)境或者人為事故，造成的設(shè)備損壞維修及事故處置基本依賴船員。而鋰電池組的可維修性與安全性是近年來研究的熱點(diǎn)。鋰電池組在船舶中的運(yùn)用有別于汽車，例如汽車的鋰電池組由于碰撞引發(fā)的火災(zāi)，駕乘人員可以迅速逃生至安全區(qū)域。然而船舶鋰電池組一旦發(fā)生此類事故，后果不堪設(shè)想。

目前中國(guó)船級(jí)社針對(duì)鋰電池組在船舶當(dāng)中的應(yīng)用，出臺(tái)了一系列的規(guī)范和指南。指南中的關(guān)于安全性的引用標(biāo)準(zhǔn)已車用標(biāo)準(zhǔn)和歐標(biāo)為準(zhǔn)。車用標(biāo)準(zhǔn)中，為保證電池組在極端情況下及車間生產(chǎn)物料轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生意外的情況下處于安全，需開展結(jié)構(gòu)安全性分析。

在船用鋰電池組結(jié)構(gòu)安全性分析中，模態(tài)分析是其中重要的組成部分。模態(tài)分析是一種根據(jù)確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的技術(shù)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和有限元分析方法，分析結(jié)構(gòu)的固有頻率及其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征的方法。依托模態(tài)特征的分析，規(guī)避引起共振的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品壽命，降低振動(dòng)和噪聲。

2 基于Hyperworks的船用鋰電池組模態(tài)分析

船用鋰電池組由箱體、電芯、BMS從控、接插件四種結(jié)構(gòu)組成的三維仿真模型，對(duì)各個(gè)部件之間的連接關(guān)系進(jìn)行分析。

對(duì)整個(gè)鋰電池組的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，其中忽略橡膠墊、電線、銅牌、水冷系統(tǒng)等對(duì)結(jié)構(gòu)分析影響很小的結(jié)構(gòu)和單元；焊接處采用單元節(jié)點(diǎn)耦合模擬；采用同體積等效密度的實(shí)體單元模擬單體鋰電池，模組固定采用螺桿連接；整體約束電池包外圍6處安裝支座。

3 有限元分析結(jié)果

船用鋰電池組結(jié)構(gòu)模態(tài)的分析結(jié)果如圖所示。從結(jié)果分析來看，X方向大質(zhì)量模態(tài)為第11階，主頻率為105Hz；Y方向大質(zhì)量模態(tài)為第7階，主頻率為838Hz；Z方向大質(zhì)量模態(tài)為第1階，主頻率為55.1Hz。

根據(jù)船舶實(shí)際應(yīng)用工況分析，低頻的振動(dòng)概率較大，船用鋰電池組的低頻振動(dòng)需要更加關(guān)注。若鋰電池組的低頻模態(tài)接近船舶振動(dòng)的振動(dòng)主頻，則鋰電池組的結(jié)構(gòu)件易發(fā)生疲勞失效，極大降低結(jié)構(gòu)件的使用壽命。

X軸、Y軸、Z軸方向中，Z軸方向的模態(tài)55.1Hz，按照汽車工程經(jīng)驗(yàn)，模態(tài)低于50Hz時(shí)結(jié)構(gòu)件增加疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，但是船舶的低頻振動(dòng)頻率由波浪產(chǎn)生，頻率遠(yuǎn)低于汽車的道路振動(dòng)頻率。因此，模態(tài)最低的Z軸方向模態(tài)是安全的。

4 結(jié)論

本文以船用鋰電池組為研究對(duì)象，通過建立的三維模型利用模型簡(jiǎn)化方法對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少計(jì)算單元，利用Hyperworks建立有限元模型，并且添加約束；通過仿真計(jì)算得到X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的模態(tài)，并以汽車工程經(jīng)驗(yàn)值為閾值進(jìn)行判定，仿真計(jì)算結(jié)果證明三個(gè)方向的模態(tài)均大于安全值，意味著結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理可靠的。

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