陶瓷型動力電池蓋板組件的接觸有限元分析

摘要：在對動力電池蓋板組件模型的簡化基礎上，考慮材料、幾何、接觸等非線性因素，利用Hyepermesh軟件建立有限元模型，并借助Abaqus軟件進行求解計算及后處理分析，結果表明極柱的鎖緊力矩上限值15Nm滿足設計要求。

關鍵詞：有限元分析 接觸 Mooney-Rivlin模型 鎖緊力矩

1 概述

縱觀國內外有關電池蓋板組件的專利及文獻：某公司將耐高溫絕緣陶瓷應用于大功率動力電池蓋板組件中不失為一種創新性的設計。該組件由上下陶瓷、橡膠密封圈、不銹鋼蓋板、極柱以及鎖緊螺母組成。其結構組成如圖1所示。

由于各組件的設計尺寸已定型，為使螺母能鎖緊蓋板不至于出現松動，在保證極柱不會產生變形以至斷裂或螺紋變形脫扣前提下，螺母的鎖緊力矩盡可能大，但過大的力矩會使蓋板及極柱本體產生過大的彎曲變形，從而影響與動力電池鋼殼之間的裝配，同時因以上變形將導致下陶瓷邊緣受擠壓而產生碎裂現象。因此，鎖緊力矩的上限值的確定對于陶瓷型動力電池蓋板的設計就顯得尤為重要。

本文采用有限元分析方法，完成對陶瓷型動力電池蓋板組件的接觸有限元分析，提出合理的鎖緊力矩參數，為設計者提供理論依據。

2 電池蓋板組件有限元模型

2.1 有限元模型的建立

為提高分析效率，減少計算量，對動力電池蓋板組件模型進行了簡化，即取消上陶瓷、螺母及帶外螺紋的極柱基體的有限元建模，其有限元模型如圖2所示。其中單元格數量27116個，節點數34170個，單元類型為C3D8I。

2.2 材料定義

橡膠密封圈的材料為典型的不可壓縮的彈性材料，在大變形的情況下是非線性彈性變形。理論上采用應變能密度來描述密實橡膠材料的本構關系。結合文獻[1-2]，Mooney-Rivlin模型是工程上被廣泛應用于彈性體變形的一個比較經典的模型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學行為，完全能滿足橡膠材料實際應用的性能計算需要。Mooney-Rivlin 模型為：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3） （1）

式中W為應變能密度函數，C10和 C01為材料力學性能常數，由實驗來確定，本文分別取8Mpa、3Mpa。I1、I2分別為第一、二Green應變不變量。其他零件的材料參數見表1。

2.3 接觸條件的建立

4個陶瓷頂面與相對應的蓋板區域之間建立接觸對，定義剛度較大的陶瓷為主面，蓋板為從面，橡膠密封圈與蓋板相對應的接觸區域建立接觸對，定義剛度較小的橡膠密封圈為從面，不銹鋼蓋板為主面。為減小計算，采取節點耦合方式將密封圈與極柱連接成一體。

對于切向作用，利用庫侖摩擦來描述接觸面之間相互作用的摩擦模型。取橡膠密封圈與蓋板之間的摩擦系數為0.47。

2.4 定義邊界條件

根據文獻[3-4]，可使用如下經驗公式計算極柱的預緊力：F=T/KΦ （2）

式中：

F——螺栓預緊力；

T——鎖緊力矩，本文取經驗值15Nm，即鎖緊力矩上限值；

K——螺栓聯結的扭轉系數，或螺母系數，在非潤滑條件下可近似取0.2；

Φ——螺栓的公稱直徑，本文取14mm。

將上述值帶入公式2可得出極柱的預緊力：

F=15/0.2*14*1e-3=5357N

本文采用運動耦合方式，在耦合節點處加載集中力。約束極柱寬度兩側Y，Z方向平動自由度，釋放X向平動自由度，約束上陶瓷與不銹鋼蓋板相接觸區域X向平動自由度。有限元模型見圖2。

3 結果分析

將以上建立的有限元模型提交Abaqus求解器進行計算。得到了下陶瓷的Mises應力云圖，不銹鋼蓋板及密封圈的變形云圖，極柱的Mises應力云圖及變形云圖。

3.1 下陶瓷Mises應力云圖

從圖3中可看出，陶瓷所受的最大Mises應力為155Mpa，低于其抗彎強度320Mpa，且出現在陶瓷邊緣靠近極柱一側。原因是極柱在預緊力的作用下陶瓷頂面與蓋板相接觸，隨著預緊力的增加蓋板及極柱方形本體均會產生彎曲變形，這兩種不同方向的彎曲變形導致靠近極柱一側的陶瓷邊緣與蓋板會產生擠壓，從而造成陶瓷邊緣破碎。另外，由于陶瓷邊緣未進行倒角，此處應力過大可視為應力集中現象，建議在工藝成本可接受的情況下倒0.2的圓角。

3.2 極柱的Mises應力及變形云圖

從圖4中可看出，最大應力出現在極柱方形本體與基體的交接處，原因是此處采用了運動耦合方式施加的載荷，從而引起有限元計算過程中的應力過大現象。隱藏該區域單元，可看出，最大應力為75Mpa，并未超過Al 1060 H12的屈服應力，且最大應力出現在橡膠與極柱接觸區域。圖5為極柱的變形應力云圖。

從圖5中可知：紅色區域為變形較大部位，出現在中部，藍色區域為變形較小部位，出現在兩端，而且最大變形與最小變形量很接近，整體呈現微弱的向上凸起的彎曲變形，這種彎曲變形對下陶瓷影響很小。另外，極柱的最大位移量為0.51mm，由于密封圈壓縮前下陶瓷與蓋板之間的間隙為0.50mm，因此，極柱的最大變形量為0.01mm，即下陶瓷與蓋板已處于接觸狀態。

4 結論

通過以上計算分析可得出以下結論：①橡膠密封圈模型可采用橡膠Mooney-Rivlin 模型。②極柱的鎖緊力矩上限值可定為15Nm。

參考文獻：

[1]李曉芳，楊曉翔.橡膠材料的超彈性本構模型[J].彈性體，2005，

15（1）.

[2]黃建龍，解廣娟等.基于Mooney—Rivlin模型和Yeoh模型的超彈性橡膠材料有限元分析[J].橡膠工業，2008，55（8）.

[3]郭衛凡，黃文建.力矩法控制螺栓預緊力的準確度分析[J].科技信息，2011（25）.

[4]劉利，馮玉偉.螺栓鎖緊力矩的確定及檢驗方法[J].煤礦機械，2002年5月第28卷第5期.