新能源動力電池包箱體擠壓失效數(shù)值分析

程 生，呂希祥，韋助榮

（合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽 合肥 230011）

隨著新能源汽車輕量化技術水平的逐步提高，擁有低密度、高強度的鋁合金，正成為汽車輕量化的首選材料[1]。而從安全性考慮，輕量化的一個重要性能指標就是耐撞擊性。汽車碰撞過程中，損傷形式和斷裂機理伴隨著空間位置的不同而變化。采用非線性損傷失效理論的材料本構模型，結合有限元分析方法，模擬車用鋁合金型材的斷裂失效行為是切實可行的[2]。

目前，吳瑤等[3]對3003鋁合金建立廣義增量應力狀態(tài)依賴性損傷模型（Generalized Incremental Stress State Dependent Damge Model, GISSMO）方程，通過杯突實驗驗證其相較于Modified Johnson-Cook（MJC）方程，可得到更高的實驗匹配度。XIAO Y等[4]在四種不同的合金上，運用一種新的擴展迭代有限元方法，獲得GISSMO中的參數(shù)，估計合金的斷裂性能?？祖嫉萚5]設計了7種失效實驗物理試樣，標定不同應力狀態(tài)的失效行為。借助Nakajima成形極限實驗與有限元反求方法標定6016鋁合金的GISSMO斷裂準則的參數(shù)。劉文等[6]將彈塑性材料模型與損傷演化模型耦合，構建碰撞仿真的本構模型，可準確反映側墻結構碰撞過程的彎曲、褶皺變形與損傷積累，直至局部出現(xiàn)失效。崔躍杰等[7]研究結果表明采用“VonMises +GISSMO”組合的材料模型能很好地預測門內加強梁三點彎曲實驗力-位移曲線和零件折疊形貌。JOHNSEN J[8]使用*MAT_258號材料搭建GISSMO本構模型，與采用厚度損傷正則化（Through-Thickness damage Regularization, TTR）模型，并在三點彎曲試驗上驗證了兩種失效模型的有效性。

本文基于GISSMO理論構建6061-T6材料失效本構模型，通過LS-DYNA軟件仿真模擬，對動力電池包擠壓破壞實驗進行研究。

1 GISSMO損傷模型

GISSMO連續(xù)介質材料失效本構模型基于J-C模型發(fā)展而來[9]。GISSMO模型是非線性損傷累積的冪律函數(shù)，模擬由于孔隙成核和聚結導致的延性損傷[7]。損傷準則采用路徑相關斷裂準則，損傷值D（0＜D＜1）的累積增量ΔD表達式為

式中，m為非線性損傷累積指數(shù)；εf為等效塑性應變失效值；Δεp為等效塑性應變增量。

在材料塑性應變達到臨界應變之后失效應變之前，材料發(fā)生應力減弱的變量稱為穩(wěn)定性變量F（0＜F＜1），其增量 ΔF表達式為

材料受損后（即F=1），應力衰減為

式中，Dcrit為當材料不穩(wěn)定因子F=1時，對應的損傷因子D值；n為應力衰減指數(shù)，當D≥Dcrit時，應力才開始修正。

2 失效樣件的設計與對標

2.1 失效樣件的設計與對標

根據(jù)每種樣件不同的應力三軸度值[10-11]，純剪切實驗（η=0.159）、單軸拉伸試驗（η=0.333）、中心孔 D8試驗（η=0.384）、中心孔 D15試驗（η=0.404）、缺口 L10實驗（η=0.43）、缺口 L15實驗（η=0.468）、脹形實驗（η=0.666），設計物理實物樣件，如圖1所示。除脹形實驗需配合自行設計的工裝進行擠壓脹形實驗外，其余樣件均進行常規(guī)的靜態(tài)拉伸實驗。6061-T6鋁合金材料各實驗對標情況如圖2所示。

圖1 失效實物樣件尺寸

圖2 失效樣件的仿真對標

通過軟件仿真對標，獲得不同應力三軸度所對應的失效應變值[9,12-13]，即失效曲線如圖3所示。

圖3 失效應變與應力三軸度關系曲線

2.2 網格尺寸影響

網格尺寸對GISSMO模型斷裂失效區(qū)域影響較大，故基于基礎網格尺寸（1.0 mm）計算結果，構建網格影響因子與網格尺寸關系曲線，以使該失效模型適用于不同網格尺寸。該分析過程可認為是優(yōu)化過程，故可利用 LS-OPT軟件迭代優(yōu)化得到最優(yōu)的網格影響因子[14-15]。

3 三點彎曲實驗驗證

采用三點彎曲試驗進行校準參數(shù)，是一種有效的驗證方法[2,5,7]。單個擠壓型材件結構簡單，方便仿真快速對標，同時也能反映出其在箱體中成組件時，復雜應力三軸度的變化過程。故通過對擠壓型材件進行三點彎曲實驗，可仿真逆向獲得材料斷裂時刻前的應力三軸度云圖，如圖4所示。再將關鍵區(qū)域（破裂區(qū)域）單元的塑性應變與應力三軸度值一起繪制在失效曲線（圖3）中。通過對比實際破裂的位置，調整失效曲線使其覆蓋所有散點值，使破裂的點位于曲線上方，未破裂的點位于曲線的下方，從而矯正失效模型，彌補單個小樣件應力三軸度變化范圍較窄，無法獲取更多應力三軸度值散點分布的情況。通過矯正后的失效模型，才能對型材件的破裂做準確模擬，如圖5所示。

圖4 型材件的應力三軸度云圖

圖5 型材件局部破裂情況仿真與實驗的對比

4 動力電池包擠壓實驗分析

針對電池包在汽車運行過程中易受到碰撞、擠壓等破壞變形，國標[16]規(guī)定了擠壓實驗相關要求。本實驗采用半圓柱擠壓頭，方向為豎直，為使箱體產生更多的材料破裂，更好地研究材料破裂行為，實驗對象為空箱體，截止條件不設置力而設置位移。

采用顯示動力學分析軟件 LS-Dyna進行模擬分析。通過觀察力位移曲線，相較于無失效本構仿真，采用GISSMO失效本構模擬可以得到比較準確的模擬，曲線的吻合度良好，如圖6所示。當周圍材料斷裂不再連接，中間區(qū)域便殘留下來，這種細節(jié)也得到高度還原。斷裂后材料的整體變形，也得到很好模擬，如圖7所示。

圖6 擠壓分析力與位移關系曲線

圖7 邊框破裂情況實驗與仿真對比

5 結論

通過本文所述試驗和仿真模擬結果分析可得到如下結論：

1）通過設計對應著不同應力三軸度水平的物理樣件，開展靜態(tài)拉伸、脹形實驗獲得當前應力三軸度水平狀態(tài)下的失效塑性應變，得到6061-T6鋁合金基本的GISSMO材料失效本構。

2）通過型材件的三點彎曲實驗，仿真對標逆向得到應力三軸度的全場分布，輸出關鍵區(qū)域單元的散點圖，矯正失效應變曲線。

3）觀察到擠壓分析的模擬，力位移曲線的吻合度較高，材料破裂的位置、區(qū)域面積等細節(jié)，也得到了高度還原。