0引言

動(dòng)力蓄電池包擠壓試驗(yàn)中,高強(qiáng)度鋁合金的較低斷裂延伸率造成擠壓過程中的材料損傷斷裂,失去部分承載力,而未考慮材料失效的有限元仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果差異較大,因此有必要將材料失效加入動(dòng)力蓄電池包的擠壓仿真分析?大量的研究證明金屬的延性破壞由金屬的承受應(yīng)力三軸度決定?
筆者通過樣件拉伸試驗(yàn)與有限元仿真獲得了材料的延性損傷參數(shù),同時(shí)進(jìn)行了型材三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?動(dòng)力蓄電池包擠壓試驗(yàn)與有限元仿真的對(duì)標(biāo),結(jié)果表明:輸入延性損傷參數(shù)的有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差小,能較為準(zhǔn)確地模擬鋁合金損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的影響;不考慮材料失效的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大?

1動(dòng)力蓄電池包材料失效參數(shù)

1.1延性損傷準(zhǔn)則
延性金屬的斷裂行為與應(yīng)力三軸度(延性金屬最常用的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù))有很大關(guān)系?動(dòng)力蓄電池包的結(jié)構(gòu)材料鋁合金6061-T6屬于延性金屬,其斷裂行為與應(yīng)力三軸度有很大關(guān)系,故將延性損傷準(zhǔn)則引入到動(dòng)力蓄電池包材料失效研究?應(yīng)力三軸度η和平均應(yīng)力三軸度ηavg分別為

塑性失效準(zhǔn)則延性損傷準(zhǔn)則中的斷裂應(yīng)變?yōu)?br />
研究內(nèi)容為準(zhǔn)靜態(tài)加載,因此不考慮應(yīng)變速率的影響?
由式(3)可知,要獲得材料延性損傷參數(shù),最少需要3個(gè)不同應(yīng)力三軸度下的斷裂應(yīng)變,因此開展了單軸拉伸試驗(yàn)?純剪切試驗(yàn)與缺口件拉伸試驗(yàn),利用有限元仿真獲得5個(gè)不同應(yīng)力三軸度下的斷裂應(yīng)變,進(jìn)而擬合得到材料延性損傷參數(shù)?
1.2樣件試驗(yàn)與有限元仿真
動(dòng)力蓄電池包所用材料鋁合金6061-T6實(shí)驗(yàn)樣件如圖1所示,樣件厚度為2.4mm?試驗(yàn)均在instron5982拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,夾具夾住樣件一端,另一端加載速度為1 mm/min?樣件均從型材上采用線切割機(jī)切割而成?
通過安裝應(yīng)變傳感器的方式很難測(cè)量到斷裂應(yīng)變,故將有限元仿真引入到研究中,利用有限元方法計(jì)算獲得斷裂應(yīng)變?有限元仿真時(shí),須輸入精確的應(yīng)力應(yīng)變曲線,工程實(shí)際中通常利用拉伸試驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線?彈性模量?屈服強(qiáng)度?抗拉強(qiáng)度?斷裂延伸率?工程應(yīng)力應(yīng)變曲線不能直接用于有限元仿真,需進(jìn)行修正?考慮頸縮現(xiàn)象,本文鋁合金拉伸試驗(yàn)過程可分為線彈性階段?應(yīng)力強(qiáng)化階段?分散型頸縮階段?局部頸縮階段?

應(yīng)力強(qiáng)化階段應(yīng)力應(yīng)變曲線公式為

對(duì)于線彈性階段?應(yīng)力強(qiáng)化階段,可采用下式將工程應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換為有限元可用的真實(shí)應(yīng)力變曲線?

頸縮階段,因頸縮后樣件截面變形,故式(5)~式(7)不能適用,本文利用有限元仿真獲得頸縮段的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線?頸縮段真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線公式為

頸縮階段的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線與網(wǎng)格尺寸有關(guān),圖2為有限元仿真單軸拉伸力位移曲線與試驗(yàn)曲線,不考慮頸縮階段應(yīng)力應(yīng)變曲線的有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差異較大,說明頸縮階段不可忽略,為確保仿真精度,須獲得頸縮階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線?

應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入相同(a=-0.3)時(shí),網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)果有較大影響,單元尺寸為1.2mm(厚度方向兩層網(wǎng)格)的力大于單元尺寸為0.8mm(厚度方向三層網(wǎng)格)和單元尺寸為0.4mm(厚度方向六層網(wǎng)格)的力?為減小網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)果的影響,本文所有結(jié)果基于abaqus explicit0.8mm全積分單元C3D8獲得?
根據(jù)式(8),通過實(shí)驗(yàn)得到εTu=0.07066,σTu=301.29MPa,通過有限元計(jì)算,得到a=-0.3,從而獲得材料精確的應(yīng)力應(yīng)變曲線?
獲得材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線后,通過有限元仿真對(duì)標(biāo)獲得樣件的斷裂應(yīng)變?5組試驗(yàn)各重復(fù)4次,選擇最接近平均值的1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定?在有限元模型輸入修正后的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及不同的斷裂應(yīng)變,對(duì)比仿真和試驗(yàn)的拉伸力與標(biāo)距位移曲線,迭代獲得樣件有限元斷裂應(yīng)變以及斷裂之前的平均應(yīng)力三軸度?計(jì)算采用尺寸為0.8mm的八節(jié)點(diǎn)六面體全積分單元C3D8建模,求解器為abaqus explicit?拉伸力與標(biāo)距位移如圖3所示?試驗(yàn)后的部分樣件見圖4?

有限元求解得出的各樣件試驗(yàn)斷裂單元的斷裂應(yīng)變?有限元平均應(yīng)力三軸度與初始應(yīng)力三軸度如表1所示?

1.3延性損傷準(zhǔn)則參數(shù)確定
由得到的5組不同平均應(yīng)力三軸度下的斷裂應(yīng)變,根據(jù)式(3),利用最小二乘法擬合得到某動(dòng)力蓄電池包結(jié)構(gòu)所用鋁合金6061-T6延性損傷參數(shù)得到的延性損傷準(zhǔn)則曲線見圖5,其中回歸系數(shù)R=0.9974?

2動(dòng)力蓄電池包擠壓試驗(yàn)與有限元仿真

2.1型材三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與仿真
設(shè)計(jì)鋁合金6061-T6型材的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),利用有限元仿真對(duì)獲得的延性損傷參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定與修正?試驗(yàn)工況如圖6所示,上端擠壓圓柱半徑為18mm,加載速度為1mm/min,下端2個(gè)承載圓柱半徑為44mm,固定支撐型材?型材取自某動(dòng)力蓄電池包下箱體,長度為275mm?試驗(yàn)中,傳感器監(jiān)測(cè)擠壓柱擠壓力與位移?試驗(yàn)的有限元模型如圖7所示,邊界條件參照試驗(yàn)工況?為縮短計(jì)算時(shí)間,上端擠壓圓柱加載速為356mm/s,固定下端2個(gè)承載圓柱,型材采用尺寸為0.8mm的八節(jié)點(diǎn)六面體全積分單元C3D8建模,共計(jì)303752個(gè)單元,上端擠壓圓柱與下端2個(gè)承載圓柱設(shè)置為剛體,求解器采用abaqus explicit,采用質(zhì)量縮放方法加速計(jì)算,質(zhì)量增量控制在5%以內(nèi)?

擠壓柱擠壓力與擠壓柱位移的試驗(yàn)曲線與有限元仿真曲線見圖8,試驗(yàn)最后即擠壓柱位移為35.6mm時(shí),擠壓柱的擠壓力試驗(yàn)值為6639N,輸入延性損傷參數(shù)的有限元結(jié)果為7586N,相對(duì)誤差為14.2%,不考慮材料失效的有限元結(jié)果為11100N,相對(duì)誤差為67.2%?試驗(yàn)曲線與仿真曲線的差異原因主要是因?yàn)樵囼?yàn)過程中發(fā)生局部滑移,而有限元無滑移?

試驗(yàn)與有限元仿真斷裂區(qū)域如圖9所示,輸入延性損傷參數(shù)的有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,能夠準(zhǔn)確捕捉到裂縫產(chǎn)生位置以及裂縫展開情況?

2.2動(dòng)力蓄電池包擠壓試驗(yàn)與有限元仿真
GBT31467.3《電動(dòng)汽車用鋰離子電池安全要求》中的8.2.4款規(guī)定,電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包須承受半徑75mm半圓柱體的X向與Y向擠壓(汽車行駛方向?yàn)閄向,另一垂直于行駛方向的水平方向?yàn)閅向),擠壓力達(dá)到100kN或擠壓變形量達(dá)到擠壓方向的整體尺寸的30%時(shí)停止擠壓,動(dòng)力蓄電池包不能起火爆炸?
根據(jù)規(guī)定要求,利用有限元對(duì)某純電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力蓄電池包進(jìn)行擠壓分析,加載工況如圖10所示,約束剛性墻的6個(gè)自由度,約束擠壓柱除擠壓方向外的5個(gè)自由度,為縮短計(jì)算時(shí)間,擠壓柱加載速度設(shè)置為1m/s,采用質(zhì)量縮放方法加速計(jì)算,質(zhì)量增量控制在5%以內(nèi)?有限元模型共有2572944個(gè)單元,其中,擠壓區(qū)域采用330858個(gè)尺寸為0.8mm的八節(jié)點(diǎn)六面體全積分單元C3D8建模,非擠壓區(qū)域?qū)嶓w結(jié)構(gòu)采用1956524個(gè)尺寸為5mm的十節(jié)點(diǎn)四面體縮減積分單元C3D10M建模,鈑金結(jié)構(gòu)采用172168個(gè)尺寸為5mm的四節(jié)點(diǎn)四邊形縮減積分單元S4R建模,模組采用113664個(gè)尺寸為10mm八節(jié)點(diǎn)六面體縮減單元C3D8R建模,擠壓柱以及擠壓墻采用設(shè)置為剛體?

有限元計(jì)算得到的擠壓柱力和位移與試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,損傷失效區(qū)域變形有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如圖12?圖13所示?擠壓試驗(yàn)中,擠壓柱擠壓力達(dá)到100kN時(shí),擠壓柱位移為6.3mm, 此時(shí)輸入本文延性損傷參數(shù)的有限元仿真結(jié)果為98kN,相對(duì)誤差為-2%,擠壓區(qū)域加強(qiáng)筋已經(jīng)開始斷裂,與試驗(yàn)結(jié)果一致?擠壓柱位移為6.3mm,此時(shí)不考慮材料失效的限元仿真結(jié)果為110kN,相對(duì)誤差為10%,無法模擬材料失效對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響?

分析結(jié)果表明:輸入延性損傷參數(shù)的擠壓仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致,能較為準(zhǔn)確地模擬材料失效對(duì)電池包結(jié)構(gòu)擠壓性能的影響;不考慮材料失效的有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大?

3結(jié)論

(1)通過設(shè)計(jì)材料靜態(tài)拉伸試驗(yàn),利用有限元仿真獲得某動(dòng)力蓄電池包的結(jié)構(gòu)材料鋁合金6061-T6的單軸拉伸試驗(yàn)?純剪切試驗(yàn)與缺口件拉伸試驗(yàn)的斷裂應(yīng)變以及斷裂平均應(yīng)力三軸度?
(2)利用獲得的斷裂應(yīng)變與斷裂平均應(yīng)力三軸度,根據(jù)延性損傷準(zhǔn)則,擬合獲得高強(qiáng)度鋁合金6061-T6的延性損傷參數(shù)?
(3)型材三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?某純電動(dòng)車型動(dòng)力蓄電池包擠壓試驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果表明:輸入延性損傷參數(shù)的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小,能較為準(zhǔn)確地模擬鋁合金損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的影響,其中,型材三點(diǎn)彎曲擠壓柱擠壓力的仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差為14.2%,電池包擠壓力的仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差為-2%;不考慮材料失效的有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大,其中,型材三點(diǎn)彎曲擠壓柱擠壓力仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差為67.2%,電池包擠壓力仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差為10%?

文章來源：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院