利用有限元技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行仿真分析主要可以做以下方面的工作：
（1）電池組熱管理，可以建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎(chǔ)上分析散熱效果并對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化，取代了試驗(yàn)方法，大大提高了設(shè)計(jì)效率；



（2）電池的機(jī)械性能分析，仿真模擬沖擊、碰撞，碾壓，針刺對(duì)電池的影響；



（3）電池的電性能分析，可研究過(guò)充/過(guò)放，大電流，充/放，外部短路對(duì)電池的影響，也可研究匯流排、動(dòng)力電纜的大電流發(fā)熱和溫升情況；



（4）電池的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，可研究電池組的振動(dòng)、耐久性和疲勞壽命。



在機(jī)械性能方面，擠壓仿真是動(dòng)力電池包必須通過(guò)的一項(xiàng)嚴(yán)苛的測(cè)試。本文就擠壓仿真過(guò)程中使用的參數(shù)、卡片進(jìn)行歸納總結(jié)。限于計(jì)算條件有限，僅以小模型驗(yàn)證仿真思路。

仿真所采用的模型如圖所示，一剛性輥?zhàn)右?~1000N的斜坡載荷擠壓兩端固定的簡(jiǎn)支梁。



所采用的仿真流程為:
網(wǎng)格劃分—建立材料屬性—殼單元屬性—實(shí)體單元屬性—接觸—約束—載荷曲線—擠壓力載荷—計(jì)算控制卡片—k文件的導(dǎo)出—導(dǎo)入ANSYS計(jì)算—后處理。
仿真效果如圖所示。



該案例只能為電池包的擠壓仿真提供思路，并不能代表真實(shí)的擠壓仿真。實(shí)際上，輥?zhàn)訉?duì)電池包的擠壓速度很緩慢，擠壓的過(guò)程中可以看成無(wú)數(shù)個(gè)微小時(shí)間間隔的靜態(tài)過(guò)程，因此電池包的擠壓仿真用Abaqus做準(zhǔn)靜態(tài)仿真更準(zhǔn)確。由于水平有限和硬件不足，僅僅以低速碰撞替代準(zhǔn)靜態(tài)擠壓，為電池包的擠壓仿真探索思路。



在本案例中用到的卡片和關(guān)鍵字總結(jié)如下。合理的運(yùn)用這些關(guān)鍵字，可以對(duì)電池包的機(jī)械沖擊、高速碰撞、自由跌落等進(jìn)行仿真。

1 定義材料

1.1 MAT24號(hào)材料
用于定義彈塑性類型的材料，比如鋼、鋁等。通過(guò)以下參數(shù)定義其材料本構(gòu)：
Rho—密度；E—楊氏模量；Nu—泊松比；SIGY—屈服強(qiáng)度；ETAN—切線模量；TOEL—刪除網(wǎng)格單元的最小時(shí)間步長(zhǎng)；C、P應(yīng)變率系數(shù)（用以表征材料發(fā)生膨脹、收縮、剪切變形的速率）；LCSS：材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線；LCSR—不同應(yīng)變率下的屈服極限曲線；
注意：定義了LCSS應(yīng)力應(yīng)變曲線后，SIGY和ETAN參數(shù)將被忽略，因?yàn)閼?yīng)力應(yīng)變曲線中可以推算出；
定義了LCSR后，C和P值也將忽略，因?yàn)長(zhǎng)CSR指定的不同應(yīng)變率系數(shù)曲線需要不同的C和P值去定義；
所以定義材料的兩種方法為：
（1）通過(guò)LCSS輸入材料真實(shí)的應(yīng)變曲線；
（2）設(shè)定應(yīng)變率系數(shù)C和P值。

1.2 MAT20號(hào)材料
是一種不發(fā)生變形的剛性材料。通過(guò)設(shè)定Rho、E、Nu三個(gè)參數(shù)即可完成設(shè)定。

2 定義屬性

2.1 組件關(guān)鍵字*PART
每一個(gè)組件都是一個(gè)PART，如下圖所示。



其中，EOSID為材料*EOS關(guān)鍵字的狀態(tài)方程；
HGID：對(duì)該組件的沙漏控制，引用一個(gè)類型為HourGlass的卡片；
GRAV：重力初始化，0—所有部件的初始化；1—僅對(duì)當(dāng)前部件初始化；
ADPOPT:網(wǎng)格自適應(yīng)，0—無(wú)網(wǎng)格自適應(yīng)；1—3D網(wǎng)格自適應(yīng)；2—2D和3D網(wǎng)格均自適應(yīng)；
TMID：*MAT_THEMAL定義的熱力學(xué)屬性。

2.2 殼單元關(guān)鍵字*Section_shell
該卡片主要用于定義殼單元的屬性，比如厚度、積分算法等。



ELFORM：求解的積分算法；2—單點(diǎn)積分算法，計(jì)算快，不能精確的處理翹曲，不能在較粗的網(wǎng)格中使用；
SHRF：剪切因子，默認(rèn)為1，推薦使用5/6。
T1、T2、T3、T4：四個(gè)節(jié)點(diǎn)處網(wǎng)格的厚度，往往定義T1就可以，T2、T3、T4就默認(rèn)與T1相一致。
說(shuō)明：對(duì)于殼單元，通常只需要修改積分算法ELFORM和厚度，其余的采用默認(rèn)即可。

2.3 實(shí)體單元關(guān)鍵字* Section_solid
ELFORM：實(shí)體單元類型選型；AET為周圍環(huán)境類型選項(xiàng)。對(duì)于碰撞、擠壓、沖擊類仿真，采取默認(rèn)值即可。



2.4 剛性墻
剛性墻的建立有兩種方法，一種是建立墻的殼單元組件，再對(duì)組件賦予MAT20號(hào)的剛體材料。另一種是通過(guò)Analysis面板，建立RWGeometric類型的剛性墻，如下圖所示。



然后點(diǎn)擊geom，通過(guò)指定一個(gè)節(jié)點(diǎn)和通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的法向量的方式，定義剛性墻平面。



3 控制接觸參數(shù)

接觸在擠壓、碰撞、沖擊等仿真的直觀重要，面面接觸控制卡片如下圖所示。



其中，SSID用于指定從面；MSID用于指定主面；SPR、MPR控制是否計(jì)算并輸出界面力；0—不計(jì)算；1—計(jì)算，并在RCFORC中輸出。
FS、FD分別指定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)；
DC：計(jì)算摩擦力系數(shù)；
VC：粘性摩擦力系數(shù)；
VDC：粘性阻尼系數(shù)；
PENCHK：初始接觸檢查；0—不檢查；1—檢查；2—開啟檢查，執(zhí)行接觸的最小對(duì)角線搜索；
BT、DT：接觸開始和結(jié)束的時(shí)間；
SFS、SFM：主面和從面的罰函數(shù)系數(shù)，默認(rèn)值為1;
FSF:庫(kù)倫摩擦系數(shù)；
VSF：粘性摩擦系數(shù)。

4 定義初速度

該卡片可用于設(shè)置物體碰撞的初速度、物體自由跌落的初速度等。其關(guān)鍵字卡片如下圖所示。



其中，NSID用于通過(guò)節(jié)點(diǎn)集SET的方式為零件或蔽障施加初始速度；
NSIDEX通過(guò)節(jié)點(diǎn)集方式，指定不包含初速度的節(jié)點(diǎn)；
BOXID以BOX集合方式指定初始速度；
IRIGID為1或者-1時(shí)，重新導(dǎo)入重心位于BOXID內(nèi)的剛性體慣量；為2時(shí)重新導(dǎo)入所有剛性體慣量；
VX、VY、VZ、VXR、VYR、VZR為分別施加X(jué)、Y、Z方向的平動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，速度的單位為mm/s，通過(guò)在速度值前邊施加“-”號(hào)表示速度方向與坐標(biāo)軸相反。
Option選型卡里設(shè)置不同SET卡片下的初始速度類型。
*intial_velocity_option
*intial_velocity 用于節(jié)點(diǎn)集（set_node_list）
*intial_velocity_generation用于組件集（set_part_list）
*intial_velocity_node(用于單個(gè)節(jié)點(diǎn))

5 定義加速度

加速度可以作用于整個(gè)模型，也可以作用于單個(gè)零部件。加速度的定義通過(guò)Loadcols載荷集下的LoadBody卡片創(chuàng)建。如下圖所示。



其中X、Y、Z、RX、RY、RZ分別表示施加X(jué)、Y、Z方向的加速度和角加速度；
LCID用于施加用戶自定義的加速度曲線，因此可以用于沖擊分析、或者是隨機(jī)振動(dòng)分析；
SF是加速度曲線的縮放系數(shù)，如果將其設(shè)為負(fù)值，則加速度方向與坐標(biāo)軸相反。
PART用于指定加速度所施加在的局部零件。激活PART后，如下圖所示。通過(guò)PSID選型卡，可以指定施加加速度的零部件。



6 定義擠壓力



其中，NSID用于指定擠壓力的作用點(diǎn)；DOFX用于指定擠壓力施加的方向；LCID用于指定擠壓力曲線；SF為擠壓力的比例因子，值為-1時(shí)表示擠壓力的方向與坐標(biāo)軸正向相反。

7 定義加載曲線

曲線的定義在XYPLOT中，選擇Curve Editor即可創(chuàng)建加載曲線。



8 輸出參數(shù)控制

8.1接觸控制（CONTROL_CONTACT）



其中，SLSFAC：接觸剛度，默認(rèn)為1；
RWPNAL:剛性墻懲罰因子。0—不考慮；1—考慮；一般默認(rèn)設(shè)置為1。
ISLCHK：初始穿透檢查。0和1—不檢查穿透；2：檢查穿透；
SHLTHK：STS（面面接觸）和NTS（點(diǎn)面接觸）中是否考慮殼單元厚度變化的影響；0—不考慮；1—除剛體外考慮；2—全部考慮；
PENOPT：對(duì)稱剛度檢查。當(dāng)主面和從面之間剛度相差較大時(shí)，主面和從面之間的接觸力可能相差懸殊，需要用此參數(shù)重新分配接觸剛度。0或1—取接觸主面中的最小剛度；2—取主面的剛度值；3—取從面的剛度值；
THKCHG—單面接觸中，是否考慮接觸過(guò)程中殼單元厚度的變化。
其余的參數(shù)，在整車碰撞、擠壓、機(jī)械沖擊仿真中使用較少，采取默認(rèn)值或者不設(shè)置即可。

8.2能量控制（CONTROL_ENERGY）



其中，HGEN為是否計(jì)算沙漏能；1—不計(jì)算；2—計(jì)算；
RWEN為是否計(jì)算阻礙耗散能；1—不計(jì)算；2—計(jì)算；
SLNTEN為是否計(jì)算界面滑移能；1—不計(jì)算；2—計(jì)算；
RYLEN為是否計(jì)算Rayleigh能；1—不計(jì)算；2計(jì)算；

8.3輸出控制（CONTROL_OUTPUT）



OPIFS:0.1;
IKEDIT:100;
IFLUSH:5000;
以上參數(shù)采取默認(rèn)即可。

8.4殼單元控制（CONTROL_SHELL）



其中，WRPANG:控制殼單元的翹曲程度，翹曲度大于此值即告警；默認(rèn)設(shè)為20。
ESORT:自動(dòng)處理退化的單元，碰撞擠壓過(guò)程中四邊形單元退化為三角形單元；默認(rèn)為1。
IRNXX：?jiǎn)卧ň€的更新。默認(rèn)為-1。
ISTUPD:是否考慮單元厚度的變化。0—不考慮；1—考慮；
THEORY：殼單元的計(jì)算理論。默認(rèn)為2。
BWC：默認(rèn)為2。
MITER：默認(rèn)為1。
PROJ：默認(rèn)為0。

8.5實(shí)時(shí)體單元控制（CONTROL_SOLID）



ESORT：默認(rèn)為0；
FMATRX：默認(rèn)為1；
NIPTETS：默認(rèn)為4；
SWLOCL:默認(rèn)為2；

8.6計(jì)算終止時(shí)間控制（CONTROL_TERMINATION）



ENDTI：設(shè)置求解的結(jié)束時(shí)間。

8.7時(shí)間步長(zhǎng)控制（CONTROL_TIMESTEP）



DTINIT:初始時(shí)間長(zhǎng)值；
TSSFAC:計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)比例；
ISDO：四節(jié)點(diǎn)殼單元的基本計(jì)算時(shí)間值；
TSLIMT:分配給殼單元最小的時(shí)間步長(zhǎng)值；
DT2MS：與質(zhì)量比例結(jié)果相關(guān)的時(shí)間步長(zhǎng)值；板殼單元的最大穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)值計(jì)算公式為：



其中，Ls為板殼單元的特征長(zhǎng)度；ρ為材料的密度；E為材料的彈性模量。

8.8 沙漏控制
沙漏是在單元發(fā)生的零能量變形現(xiàn)象。產(chǎn)生沙漏的單元發(fā)生了變形，但是單元中不存在應(yīng)力和應(yīng)變。導(dǎo)致沙漏的原因是：顯示積分算法為了縮短計(jì)算時(shí)間，采用了單點(diǎn)單元縮減積分算法導(dǎo)致的。縮減積分算法是指參與積分的點(diǎn)數(shù)比節(jié)點(diǎn)數(shù)目少。例如以一個(gè)一階四邊形單元為離子，有1、2、3、4四個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是僅僅有一個(gè)中心的節(jié)點(diǎn)P參與積分計(jì)算。假設(shè)該單元受到彎曲或者剪切載荷，會(huì)發(fā)生如下圖所示的變形。在這三種變形當(dāng)中，單元積分點(diǎn)上的主應(yīng)力和剪應(yīng)力狀態(tài)都相同，因此該單元可以自由的在這三種變形當(dāng)中轉(zhuǎn)換，而不需要額外的外力作用，這就是所謂的沙漏的零能量現(xiàn)象，即不需要外力的變形。沙漏只存在于六面體單元和四邊形單元，其他的三角形單元、梁?jiǎn)卧?、四面體單元不會(huì)引發(fā)沙漏模式，這是因?yàn)檫@些單元比較“強(qiáng)硬”，不會(huì)像四邊形那樣肆意的發(fā)生變形。如果采用全積分算法，則不會(huì)存在沙漏問(wèn)題，但是會(huì)占據(jù)較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。



當(dāng)采用縮減積分的單元算法時(shí)，必然會(huì)引起沙漏現(xiàn)象，當(dāng)總的沙漏能小于5%時(shí)，才認(rèn)為計(jì)算的結(jié)果是可靠的。LS-DYNA中減小沙漏能的方法有：
（1）尺寸均勻的網(wǎng)格
（2）避免將集中力施加在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上，因?yàn)檫@會(huì)激發(fā)沙漏模式。
（3）調(diào)整模型的體積粘性參數(shù)，一般LSDYAN會(huì)自動(dòng)設(shè)定體積粘性參數(shù)，用戶可以通過(guò)調(diào)整EDBVIS命令來(lái)設(shè)置該參數(shù)；
（4）小位移變形情況，使用EDHGLS增加沙漏系數(shù)（HGCO），以增加模型的剛度，抑制沙漏的變形；大位移變形情況時(shí)，沙漏系數(shù)HGCO超過(guò)0.15會(huì)造成不穩(wěn)定；
使用CONTROL_HOURGLASS控制整體的沙漏，如下圖所示。



其中，IHQ為沙漏的控制類型；常用設(shè)置有1—LSDYNA默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)模型；2—Flanagan-Belytschko積分類型；3—用于實(shí)體單元精確的體積積分的Flanagan-Belytschko積分類型；8適用于單元類型為16的全積分算法殼單元；當(dāng)設(shè)置IHQ=8時(shí)，單元的翹曲剛度將會(huì)被計(jì)算，但是這會(huì)增加系統(tǒng)25%的計(jì)算時(shí)間。采取默認(rèn)設(shè)置。

8.9 零部件的沙漏控制
當(dāng)模型中分別采用實(shí)體單元和殼單元混合建模時(shí)，有的零部件的沙漏控制可能要嚴(yán)苛一些，這就需要對(duì)零部件單獨(dú)進(jìn)行沙漏的控制。在Proprty屬性選項(xiàng)卡中建立類型為HourGlass的卡片。



激活HourGlass卡片，如下圖。



其中，IHQ為沙漏的控制類型，共有1~8種類型。默認(rèn)采用1，LSDYNA的標(biāo)準(zhǔn)算法；8—使用全積分對(duì)殼單元進(jìn)行計(jì)算，可以精確的處理翹曲度，但是會(huì)增加25%的計(jì)算時(shí)間。
IQH和QM為全局剛度系數(shù)和局部剛度系數(shù)，默認(rèn)為0.1；
IBH為體積粘性類型，默認(rèn)為0；
Q1為二次體積粘性系數(shù)，默認(rèn)為1.5；可用于減小沙漏；
Q2為線性體積粘性系數(shù)，默認(rèn)為0.06；可用于減小沙漏；
QB和QW為殼單元翹曲和彎曲的沙漏系數(shù)，默認(rèn)與QM相等；
注意：當(dāng)零部件的沙漏過(guò)大時(shí)，可以考慮增大整體或者局部的剛度系數(shù)來(lái)抑制沙漏，剛度系數(shù)不能超過(guò)0.15；也可以調(diào)整Q1和Q2體積粘性系數(shù)來(lái)減小沙漏。
打開要控制沙漏的組件，激活HGID選項(xiàng)卡，輸出上述所建立的HourGlass卡片。