电池组热力耦合分析

电池组热力耦合分析
本例展示基于热-结构耦合的热力耦合分析。

1 问题设定
一块电池组，尺寸为70mm x 175mm x 400mm。

对模型进行适当简化，保留主体电芯和PC部分，约束电池组底部Z方向，电芯部分给定生热源，电池组外表面给定自然对流散热边界条件，模拟电池组温度变化和应力变化。

由于需要进行实时热力耦合分析，因此电池，PC材料等采用实体建模，设定相关的coupling耦合单元和tie约束，建立电芯和PC材料之间的接触关系（包括热接触）。

本案例用到的附件包括：
Battery1003_heat.cae 稳态热力耦合分析
2 分析过程
一般来说，针对热力学问题，通常有顺序耦合和完全耦合两种方法。

顺序耦合是先进行热传导分析，得到温度分布结果，然后把温度分布结果映射到结构分析模型上。

完全耦合则是直接在abaqus中直接给建立的coupled temp-displacement分析步，完全实时同步计算温度变化和应力变化，并可考虑温度和结构变形之间的互相影响。

2.1 有限元计算
2.1.1 几何处理
在CAD软件中进行简单处理后，导入Abaqus中，需要对零件进行几何清理和修复，删除不必要的细节特征。

2.1.2 赋予材料属性
根据不同材料电池，PC等赋予相应的材料参数，注意因为这里需要进行完全热力耦合分析，因此材料参数必须同时具有力学参数和热学参数，包括：密度，弹性模量，泊松比，塑性曲线，热膨胀系数，热导率，比热等，如下图所示：
2.1.3 模型装配
在Abaqus中装配的模型，通在CAD软件中装配位置关系完全一致。

如果在CAD软件中已经装配即可。

这里由于单个电池芯模型一致，因此为减小前处理工作量，在Abaqus 中对单个电芯进行阵列处理，后期只需要分析修改单个电芯模型，整个装配体所有电芯模型自动更新。

2.1.4 定义相互作用
根据模型需要，定义相关接触关系和耦合约束等等。

如下所示：
定义接触属性：在Interaction模块，点击Create Interaction property，选择contact，进入Edit contact property窗口，分别定义Tangential behavior 中设定0.1的摩擦系数，以及Thermal conductance 中的接触热传导参数，如下图所示：
自动搜索接触对: 由于需要考虑电芯和PC材料之间的接触和接触热传导，而电芯数量较多，如果单独制定面面接触，需要较大工作量，因此可以采用Abaqus/CAE中较为方便的自动搜索接触对功能。

在Interaction模块，点击Find contact paris，Search domain 可以选择whole model，Instance 和Displayed entities，这里选择Displayed entitied，Include paris within separation tolerance 输入1，取消勾选Extend each surface found by angle：20，点击Find contact paris，即可自动搜索相应的接触对。

可以顺序查看接触对是否正常，为了快速诊断，可以按照separation进行排序，删除不必要的接触对即可。

定义tie约束：
2.1.5 网格划分
根据模型尺寸，选取合适的单元尺寸和网格类型，进行相关网格划分。

2.2 热力耦合计算
2.2.1 定义热力耦合分析步
在Abaqus/CAE step模块，点击create step，在Procedure type中选择General，选择Coupled temp-displacement，点击Continue….
进入Edit Step之后，在Response中选择Steady-state，Time period中输入1，打开Nlgeom，Automatic stabilization 选择Specify dissipated energy fraction：0.0002，其他采用缺省设置。

基于此分析步的field output 和history output 采用缺省输出即可。

2.2.2 定义相互作用
除了前面章节模型准备中的电芯和PC材料的接触对定义，这里还需要定义结构外表面的对流散热系数以及为了更加易于收敛的弹簧单元。

紧接上述步骤，在Abaqus/CAE Interaction模块，继续点击create Interaction，在Step 中选择step-1，选择surface film condition，点击Continue….
按照操作提示，选择结构外表面，点击done。

进入Edit Interaction之后，在film coefficient 中，输入自然对流散热系0.005，Sink temperature输入23，其他采用缺省设置。

紧接上述步骤，在Abaqus/CAE Interaction模块，点击主菜单Special->Springs/Dashpots->Create…，进入Create Springs/Dashports窗口，在Connectivity Type中选择Connect points to ground(Standard)，点击Continue….，按照提示选择相应需要施加弹簧的硬点，点击done，进入Edit Springs/Dashports窗口，在Degree of freedom 中选择需要施加弹簧的方向，勾选Spring stiffness，并输入1即可。

2.2.3 定义热源和边界条件
定义生热源：
紧接上述步骤，在Abaqus/CAE Load模块，点击create Load，在Step中选择Step：Step-1，，在Category中选择Thermal，在Types for Selected Step中选择Body heat flux，点击Continue….
按照提示操作，选择所有电芯实体模型，点击done，进入Edit Load之后，magnitude 输入0.1，点击OK，其他采用缺省设置。

这里是定义生热源，这里的生热源可以是各种形式，以及各种表达式，均可在Abaqus中方便输入。

定义约束：
紧接上述步骤，在Abaqus/CAE Load模块，点击create Boundary Condition，在Step 中选择Step：Step-1，，在Category中选择Mechanical，在Types for Selected Step中选择Displacement/Rotation，点击Continue….
按照提示操作，选择电池组底部表面，点击done，进入Edit Boundary Condition之后，勾选U3，点击OK，其他采用缺省设置。

这里约束U3方向，其他方向无约束，用以模拟生热以及由于热膨胀和接触所产生的热应力。

定义初始预定义温度场：
紧接上述步骤，在Abaqus/CAE Load模块，点击create Predefined Field，在Step中选择Step：Initial，，在Category中选择Other，在Types for Selected Step中选择Temperature，点击Continue….
按照提示操作，选择所有电池组模型，点击done，进入Edit Predefined Field之后，Magnitude输入23，点击OK，其他采用缺省设置。

这里定义模型初始温度为23摄氏度。

2.2.4 定义热力耦合单元类型
在Abaqus/CAE Mesh模块，点击Assign Element Type，按照提示，选择对应需要修改单元类型的区域，点击Done。

进入Element type 窗口，在Element Library中选择Standard，在Geometric Order中选择Linear，在Family中选择Coupled Temperature-Displacement，点击OK即可。

因为在step模块定义的是热力耦合分析步，这里的单元类型需要同分析步类型一致，都需要做相应修改，全部改为热力耦合单元类型。

2.2.5 提交计算
在Abaqus/CAE Job模块，点击create Job，点击Continue….. ，在edit Job中选择Parallelization，勾选Use multiple processors，选择可以支持的多核并行数目即可，其他缺省。

点击OK，然后点击Job manager，submit即可提交计算任务。

2.2.6 查看结果
进入Job manager，点击result ，或者用Abaqus打开工作目录下对应.odb文件，以云图形式显示NT11，U，S 等变量，得到下图所示的云图。