﻿ 温度场对水下航行器电池舱段结构强度和刚度的影响
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (7): 47-51 PDF

Influence of temperature field on the structural strength and stiffness of underwater vehicle battery compartment
ZHANG Da-qian, KONG Xiang-yi, YANG Bing, ZHONG Lin-lin
College of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China
Abstract: Using CATIA and Ansys Workbench software, the physical model and finite element model of the battery compartment of a certain underwater vehicle are established. According to the environmental conditions and test methods of CB 1235-1993, the dynamic analysis of the battery compartment was carried out. Firstly, the influence of temperature field caused by internal Li/SOCL2 battery heating and external seawater temperature on structural strength was studied under normal working conditions of the battery compartment. Secondly, the ability of the battery compartment to resist impulse impact load is analyzed in different storage and transportation temperature environments. The results show that the equivalent stress and deformation of the battery compartment are reduced with the increase of seawater temperature and the decrease of temperature difference between the inside and outside of the battery compartment. The influence of temperature on the strength and stiffness of the battery compartment is nonlinearity under impulsive impact load. At 20℃, the equivalent stress and deformation of the structure is minimal. With the positive and negative change of temperature, the equivalent stress and deformation will increase.
Key words: underwater vehicle     temperature field     structural strength     FEM
0 引　言

1 热传递数学模型 1.1 基本原理

1）电池组到电池组框架及上下盖板的传热；

2）电池组到空气的传热；

3）电池组框架及上下盖板到电池舱段壳体的传热；

4）空气到电池舱段壳体的传热；

5）电池舱段壳体到海水的传热。

1.2 数学模型

 ${Q_b} = {I_b} / {V_b}\left( {{E_{oc}} - E - t{\rm d}t/{\rm d}r} \right) \approx I_b^2{{\rm{R}}_{\rm{b}}}/{V_b}{\text{。}}$ (1)

 $Q = {N_m}{N_b}{Q_b}{\text{，}}$ (2)

 ${\varPhi _S} + {\varPhi _{in}} = {\varPhi _{out}} + {\varPhi _{uns}}{\text{。}}$ (3)

 $\begin{array}{l}{\varPhi _S} = Q{V_b}\tau ,{\varPhi _{in}} = 0{\text{，}}{\varPhi _{out}} = {A_{wo}}{h_w}\left( {t - {t_w}} \right)\tau + 2{A_{co}}{h_a}\left( {t - {t_a}} \right)\tau {\text{，}}{\varPhi _{uns}} =\smallint_0^\tau \rho c\displaystyle\frac{{\partial t}}{{\partial \tau }}{V_c}\rm d\tau {\text{。}}\end{array}$

ΦS为电池舱段内部生成的热量；Φin为外部环境传递到电池舱段内部的热量；Φout为电池舱段内部扩散到外部环境的热量；Φuns为电池舱段内部使温度升高的热量；t为电池内部瞬态温度；Awo为电池舱段壳体外壁侧面积；hw为海水强迫对流换热系数；tw为海水温度；Aco为电池舱段壳体外壁底面积；ha为空气自然对流换热系数；ta为空气温度；τ为电池舱段工作时间；ρ为电池舱段内部传热物质密度；c为电池舱段内部传热物质比热容；Vc为电池舱段体积。

2 有限元模型 2.1 模型简化的必要性

2.2 三维实体模型建立

 图 1 电池舱段壳体 Fig. 1 The shell of battery compartment

 图 2 电池组模块框架 Fig. 2 The frame battery module

 图 3 水下航行器电池舱段 Fig. 3 The battery compartment
2.3 结构离散及有限元模型的建立

CATIA能与Ansys Workbench无缝连接，可直接将整体模型导入软件中进行有限元分析计算。在CATIA中将建好的电池舱段实体模型保存为STP格式文件，然后导入Ansys Workbench的Geometry中。在Engineering Date中定义电池舱段各个部分的材料属性。材料参数如表3所示。

 图 4 电池舱段有限元模型 Fig. 4 The FEM module of battery compartment
3 仿真分析 3.1 不同海水温度下温度场对结构强度的影响

 图 5 电池舱段内部温度分布云图 Fig. 5 The internal temperature field of battery compartment

 图 6 电池舱段最大变形随壳体外壁温度的变化曲线 Fig. 6 Maximum total deformation-temperature curve inside battery compartment

 图 7 电池舱段最大等效应力随壳体外壁温度的变化曲线 Fig. 7 Maximum equivalent stress-temperature curve inside battery compartment

3.2 不同温度对结构强度的影响

 图 8 半正弦波冲击脉冲波形 Fig. 8 The waveform of half sine shock pulse

 图 9 电池舱段最大变形随温度的变化曲线 Fig. 9 Maximum total deformation-temperature curve of battery compartment

 图 10 电池舱段最大等效应力随温度的变化曲线 Fig. 10 Maximum equivalent stress-temperature curve of battery compartment

4 结　语

1）水下航行器在实际工况中，由于海水温度的不同将影响水下航行器电池舱段内部温度场的分布。在加载惯性载荷加速度的情况下，电池舱段内部温度场的温差越小，其结构整体的最大变形和最大等效应力越小。

2）根据水下航行器环境条件和试验方法，对水下航行器电池舱段加载不同温度载荷和同一脉冲冲击载荷。通过仿真分析可知，从–40℃时开始计算，电池舱段的最大等效应力和最大变形随着温度的升高而减小，20℃时达到最小。当温度超过20℃时，随着温度的升高，最大等效应力和最大变形将增加。说明温度对电池舱段结构强度及刚度的影响呈非线性。

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