铝氧化银电池壳体结构有限元分析.pdf

2023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计收稿日期：2023-01-09作者简介：成海超(1987)，男，河北省人，工程师，硕士，主要研究方向为水激活电池。铝氧化银电池壳体结构有限元分析成海超，闻杰，李学海(中国电子科技集团公司 第十八研究所，天津 300384)摘要：针对某型铝氧化银电池壳体结构，利用有限元分析软件对其进行结构强度、失稳等仿真分析，辅助壳体结构设计。结果表明，通过有限元仿真分析手段，可以得到壳体结构应力、应变、变形、屈曲失稳载荷等数据，从而评估壳体结构是否满足设计要求，提高设计效率。此外，介绍的方法对于其他外压壳体设计也具有借鉴意义。关键词：铝氧化银电池；受外压壳体；有限元分析中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0918-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.021Finite element analysis of Al/AgO primary battery shell structureCHENG Haichao,WEN Jie,LI Xuehai(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)Abstract:The finite element analysis software is used to simulate the structural strength and instability of a certaintype of silver aluminum oxide battery shell structure to assist the shell structure design.The results show that thestress,strain,deformation,buckling buckling load and other data of the shell structure can be obtained by means offinite element simulation analysis to evaluate whether the shell structure meets the design requirements and improvethe design efficiency.The method introduced can be used for reference in the design of other external pressure shells.Key words:Al/AgO primary battery;external pressure shell;finite element analysis随着材料性能与结构设计技术的不断发展，潜艇的工作深度不断增加，目前战略核潜艇的下潜深度通常在 500 m左右，更有甚者可以达到上千米1。为了满足反潜作战的需求，作为反潜作战的利器，鱼雷的工作深度也要相应增加。当前，世界最先进的电动力鱼雷大部分都采用铝氧化银电池作为动力电源，例如意大利“黑鲨”、法国“F21”重型鱼雷以及法意联合开发的“MU90”轻型鱼雷2-3等。作为鱼雷的动力电池，铝氧化银电池壳体作为其他部件的安装载体，其壳体结构的耐压能力决定了鱼雷工作的极限深度，影响装备的效能。因此，随着打击目标深度的不断增加，对铝氧化银电池壳体的设计也提出了更高的要求。不同于其它封闭体系电池，铝氧化银电池壳体包含与外接海水相通的湿舱及安放涉电装置的干舱。一般而言，铝氧化银电池壳体设计为三段式，段之间均设计有封头隔板；同时，为了增大壳体内部的容积并减轻壳体结构的质量，壳体采用薄壁结构；此外，由于壳体承受外压会产生失稳，所以为了提高壳体抵抗屈曲失稳的能力，壳体内部也要设有加强环筋。对于铝氧化银电池壳体的结构设计，深水压力载荷是需要主要考虑的方向之一，壳体结构强度的力学分析主要包括：静水压力作用下铝氧化银电池壳体的结构强度和结构稳定性。壳体结构强度分析一般采用数值计算方法及有限元分析法，对此不少书籍与文献给出了外压壳体的数值设计方法4-5，然而，由于铝氧化银电池壳体的异型封头、加强筋等复杂结构，以及壳体质量的限制，使得通过数值计算进行铝氧化银电池壳体的设计变得困难。随着 ANSYS、ABQUS等有限元软件的发展，有限元分析广泛应用于结构强度分析领域，通过建立三维模型、单元网格划分、边界条件设定、数值求解、结果分析以及设计优化等步骤，其能够提高铝氧化银电池壳体设计的可靠性。1 理论基础电池段结构仿真分析包含静力分析和屈曲分析。1.1 静力分析静力是指结构受到静态载荷作用，并且结构处于静态平衡状态，其中惯性和阻尼可以忽略。静力分析又包括线性静力分析与非线性静力分析。线性静力分析指材料应力应变关系是线性的，结构发生的是小应变、小位移、小转动，结构的刚度不因变形而发生变化。线性静力分析的理论基础为：K x=F(1)式中：K为刚度矩阵；x为位移矢量；F为力矢量。线性静力分析通常以屈曲应力作为评价标准，应力值 常采用第四强度理论，即：=12(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2(2)应当指出，在实际结构仿真分析中，由于几何结构的曲率突变，常会产生局部应力集中的现象。根据圣维南原理，应力集中为局部现象，对于几倍孔径以外的区域，其应力几乎不受应力集中区域的影响，因此，线型静力分析结果一般偏于保守。为更精确地进行仿真分析，通常需要采用非线性9182023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计静力分析。非线性静力分析是指考虑材料非线性和结构非线性，其应力应变关系不再为线性的，变形后的结构刚度矩阵也随之发生改变。1.2 屈曲分析屈曲分析是分析结构稳定性的方法，屈曲分析包括线性屈曲分析与非线性屈曲分析。线性屈曲分析的一般方程为：(K+i S)i=0(3)式中：K和S为常量；i为屈曲载荷乘子；i为屈曲模态。在线性屈曲分析前，需要先完成静力分析，至少有一个导致屈曲的结构载荷。某一模态下的临界载荷，即为载荷因子乘以施加的载荷：Fcr i=F i(4)由于第一阶临界载荷为屈曲载荷的最低值，因此，理论上当载荷达到第一阶临界载荷时，结构将发生失稳。线性屈曲分析预测的是理想线弹性结构的理论屈曲强度，工程实际中结构屈曲过程如图1所示，Pcr为线性屈曲分析得到的失稳载荷，其结果通常是非保守的，因计算简便一般作为失稳分析的初始评估的临界载荷，从而为设计优化提供指导。非线性屈曲分析可以考虑结构中的初始缺陷、塑性行为、大变形等因素，逐步增加载荷水平，并根据上一步计算结果更新结构刚度矩阵，寻找结构失稳的临界载荷(图1中极值点 A)，在工程实际中，采用非线屈曲分析得到更精确的结果6-8。2 有限元模型建立与仿真本文采用 ANSYS Workbench 2021R1 对壳体结构进行仿真分析，使用 UG NX进行三维建模。其中，仿真分析流程如下：使用静态结构模块进行静力学强度分析，在静力学分析结果基础上进行特征值屈曲分析，然后将特征值屈曲第一阶变形的0.1倍作为结构初始缺陷进行静态结构计算。其中静态结构计算运用多子步载荷加载，变形突变载荷点即为结构失稳载荷。2.1 仿真分析模型某型电动力鱼雷铝氧化银一次电池段模型如图 2所示。由于螺纹孔、钢丝螺套等细节结构并不会影响结构主体的应力，所以，为了增加仿真效率，计算模型中忽略螺纹孔、销钉孔等细小结构。参考壳体结构形式与尺寸，模型中网格类型采取Solid 187，网格尺寸设定为 5 mm，同时对局部进行网格细化，模型节点数52.6万，网格数323.5万。2.2 材料参数壳体材料参数见表1所示。仿真过程中考虑到壳体材料非线性，采用双线性各向同性硬化准则，硬化模量 1 600MPa。2.3 边界条件壳体承受外压载荷，最大工作压力为 6.0 MPa，液压试验压力安全系数为 1.1，设计压力安全系数为 1.2，即仿真压力7.92 MPa。三段壳体通过楔环连接，接触面设置绑定约束。使用静态结构(static structural)模块进行强度校核分析。铝银电池工作状态包括干态(激活前)与湿态(激活后)，以激活前为例进行说明。建立圆柱坐标系，模型约束及载荷设置如下：后舱壳体卡箍端面设置轴向、周向的位移约束。壳体外表面施加压力 7.92 MPa；前舱壳体卡箍端面施加静水压力产生的轴向载荷1 775.53 kN。约束及载荷条件如图3所示。2.4 静力仿真分析静力分析可以得到结构的应力、应变以及变形数据，接着通过分析这些数据结果可以判断壳体的结构强度是否满足要求。其中，壳体结构的应力、应变、变形结果如图4所示。由计算结果可知，壳体主体应力为200260 MPa，小于壳体材料屈服强度 320 MPa；最大应力为 352.69 MPa，超过 320MPa区域较小，其中，位于激活阀凸台与加强筋过渡处，属于局部应力集中的区域；壳体的最大应变是0.64%，在应力集中处材料发生了塑性变形，其中最大塑性应变为0.25%，远小于材料的断后伸长率2.5%；壳体最大变形为2.19 mm，轴向相对图1结构屈曲过程示意图图2仿真模型与网格划分表 1 室温下材料力学性能 材料 弹性 模量/GPa 泊松比 屈服 强度/MPa 抗拉 强度/MPa 伸长率/%铝合金 80 0.33 320 360 2.5 非金属材料 1.0 0.38 80 120 图3约束及载荷条件9192023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计最大变形为 2.07 mm，结构轴向长度为 2 000 mm，变形量1，可见变形量较小，满足设计要求。2.5 屈曲分析屈曲分析能够得到结构临界失稳载荷，通过对比临界失稳载荷与工作载荷，可以判断结构是否发生失稳破坏。分析过程为静力分析-特征值屈曲分析-考虑变形缺陷后的静力分析，求解设置中考虑材料非线性、开启大变形；变形随载荷突变点即为屈曲失稳载荷。激活前，中舱段电池本体与加强筋接触，起支撑作用；电池本体简化为均一材料。舱段壳体连同电池本体进行线性屈曲分析，约束条件同静力分析：壳体外表面施加7.92 MPa，前舱卡箍端面施加固定约束，计算前三阶屈曲模态。结果如图5所示。由计算结果可知，前三阶屈曲特征值分别为1.55、1.57和1.64，一阶屈曲最大变形位于中舱壳体处，表明中舱壳体首先发生失稳。舱段壳体第一阶临界载荷因子为 1.55，特征值屈曲失稳载荷为初始载荷的 2.55 倍，即 7.922.55=20.2 MPa。引入第一阶特征值屈曲变形的 0.1 倍作为初始缺陷，同时施加载荷 20 MPa，卡箍端面施用位移约束，进行多载荷子步计算。计算结果如图 6所示，由计算结果可知，在 0.475附近变形发生突变不收敛，临界压力载荷为0.47520=9.5 MPa，大于工作压力6.0 MPa，满足设计要求。激活后，中舱段与外部海水相通，中舱段壳体的内外相对压力仅为 0.5 MPa；由于前舱段的轴向长度大于后舱段壳体的轴向长度，所以相比后舱段，前舱段更易发生失稳。所以，对前舱段进行非线性屈曲分析，边界条件设为：壳体外表面施加压力载荷7.92 MPa，端板封头外表面施加8.42 MPa压力载荷，以及前舱卡箍端面施用固定约束。与激活前壳体仿真相同，计算三阶屈曲模态。结果如图7所示。由计算结果可知，前舱壳体第一阶临界载荷因子为1.50，特征值屈曲失稳载荷为初始载荷的 2.50 倍。引入特征值屈曲变形缺陷，同时施加载荷15 MPa、卡箍端面施用固定约束，进行多载荷子步计算。由计算结果可知，在 0.645 倍初始载荷附近变形发生突变不收敛，即激活后电池舱段前舱壳体发生屈曲失稳，临界压力载荷为 0.64515=9.75 MPa。可见，激活后前舱壳体失稳压力略大于激活前电池段壳体失稳压力，均大于工作压力6.0 MPa。通过非线性屈曲分析，得到壳体屈曲失稳压力载荷为9.5 MPa，表明在6.0 MPa压力下壳体不会发生失稳。3 结论本文通过对某型铝氧化银一次电池段壳体结构的有限元仿真分析，得到壳体结构承受载荷下应力、应变、变形、失稳载荷等数据，通过对数据结果进行分析，可以判断结构设计是否满足要求。具体得到的结论如下：(1)采用双线性硬化塑性材料模型进行壳体结构静力仿真，发现主体应力小于屈服应力，局部最大塑性应变为0.14%，其远小于材料的断后伸长率，满足设计要求。图4静力分析结果图5激活前壳体特征值屈曲云图图6引入变形缺陷后的静态结构变形图7激活后屈曲分析计算结果9202023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计(2)对铝氧化银电池壳体进行非线性屈曲分析，引入变形缺陷并且进行静态结构分析，得到非线性屈曲载荷值，发现壳体结构的临界失稳载荷为 9.5 MPa，大于工作压力载荷 6.0MPa，而且具有较大裕度，满足设计要求。(3)对比线性屈曲分析与非线性屈曲分析临界载荷值，可以发现非线性屈曲临界载荷值小于特征值屈曲分析临界载荷值，所以，采用非线性屈曲分析进行外压壳体的仿真分析具有更强的设计指导作用。因此，通过 ANSYS Workbench 中静态结构模块、特征值屈曲模块可实现对铝氧化银电池壳体结构的仿真分析，进行辅助设计。同时对受外压复杂结构壳体仿真分析具有借鉴意义。参考文献：1安东尼普雷斯顿.世界潜艇全史M.北京：海洋出版社，2015.2何心怡，卢军，张思宇，等.国外鱼雷现状与启示J.数字海洋与水下攻防，2020，3(2)：87-94.3高新龙，王宇轩，李学海.从装备需求看鱼雷动力电池发展J.鱼雷技术，2016，24(3)：206-210.4王世斌，亢一澜.材料力学M.北京：高等教育出版社，2008.5张宇文.鱼雷总体设计理论与方法M.西安：西北工业大学出版社，2015.6杜静，周云鹏，郭智.大型水平轴风力发电机组塔筒非线性屈曲分析J.太阳能学报，2016，37(12)：3178-3183.7卢鑫瑞，朴春雨，李磊.复合材料蒙皮壁板的非线性屈曲分析J.飞机设计，2019，39(1)：23-29.8田琳静，董俊华，高炳军.螺旋加强圈加强外压圆筒稳定性研究J.机械强度，2014，36(4)：566-571.921