新能源动力电池包箱体挤压失效数值分析

程 生，吕希祥，韦助荣

（合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽 合肥 230011）

随着新能源汽车轻量化技术水平的逐步提高，拥有低密度、高强度的铝合金，正成为汽车轻量化的首选材料[1]。而从安全性考虑，轻量化的一个重要性能指标就是耐撞击性。汽车碰撞过程中，损伤形式和断裂机理伴随着空间位置的不同而变化。采用非线性损伤失效理论的材料本构模型，结合有限元分析方法，模拟车用铝合金型材的断裂失效行为是切实可行的[2]。

目前，吴瑶等[3]对3003铝合金建立广义增量应力状态依赖性损伤模型（Generalized Incremental Stress State Dependent Damge Model, GISSMO）方程，通过杯突实验验证其相较于Modified Johnson-Cook（MJC）方程，可得到更高的实验匹配度。XIAO Y等[4]在四种不同的合金上，运用一种新的扩展迭代有限元方法，获得GISSMO中的参数，估计合金的断裂性能。孔婕等[5]设计了7种失效实验物理试样，标定不同应力状态的失效行为。借助Nakajima成形极限实验与有限元反求方法标定6016铝合金的GISSMO断裂准则的参数。刘文等[6]将弹塑性材料模型与损伤演化模型耦合，构建碰撞仿真的本构模型，可准确反映侧墙结构碰撞过程的弯曲、褶皱变形与损伤积累，直至局部出现失效。崔跃杰等[7]研究结果表明采用“VonMises +GISSMO”组合的材料模型能很好地预测门内加强梁三点弯曲实验力-位移曲线和零件折叠形貌。JOHNSEN J[8]使用*MAT_258号材料搭建GISSMO本构模型，与采用厚度损伤正则化（Through-Thickness damage Regularization, TTR）模型，并在三点弯曲试验上验证了两种失效模型的有效性。

本文基于GISSMO理论构建6061-T6材料失效本构模型，通过LS-DYNA软件仿真模拟，对动力电池包挤压破坏实验进行研究。

1 GISSMO损伤模型

GISSMO连续介质材料失效本构模型基于J-C模型发展而来[9]。GISSMO模型是非线性损伤累积的幂律函数，模拟由于孔隙成核和聚结导致的延性损伤[7]。损伤准则采用路径相关断裂准则，损伤值D（0＜D＜1）的累积增量ΔD表达式为

式中，m为非线性损伤累积指数；εf为等效塑性应变失效值；Δεp为等效塑性应变增量。

在材料塑性应变达到临界应变之后失效应变之前，材料发生应力减弱的变量称为稳定性变量F（0＜F＜1），其增量 ΔF表达式为

材料受损后（即F=1），应力衰减为

式中，Dcrit为当材料不稳定因子F=1时，对应的损伤因子D值；n为应力衰减指数，当D≥Dcrit时，应力才开始修正。

2 失效样件的设计与对标

2.1 失效样件的设计与对标

根据每种样件不同的应力三轴度值[10-11]，纯剪切实验（η=0.159）、单轴拉伸试验（η=0.333）、中心孔 D8试验（η=0.384）、中心孔 D15试验（η=0.404）、缺口 L10实验（η=0.43）、缺口 L15实验（η=0.468）、胀形实验（η=0.666），设计物理实物样件，如图1所示。除胀形实验需配合自行设计的工装进行挤压胀形实验外，其余样件均进行常规的静态拉伸实验。6061-T6铝合金材料各实验对标情况如图2所示。

图1 失效实物样件尺寸

图2 失效样件的仿真对标

通过软件仿真对标，获得不同应力三轴度所对应的失效应变值[9,12-13]，即失效曲线如图3所示。

图3 失效应变与应力三轴度关系曲线

2.2 网格尺寸影响

网格尺寸对GISSMO模型断裂失效区域影响较大，故基于基础网格尺寸（1.0 mm）计算结果，构建网格影响因子与网格尺寸关系曲线，以使该失效模型适用于不同网格尺寸。该分析过程可认为是优化过程，故可利用 LS-OPT软件迭代优化得到最优的网格影响因子[14-15]。

3 三点弯曲实验验证

采用三点弯曲试验进行校准参数，是一种有效的验证方法[2,5,7]。单个挤压型材件结构简单，方便仿真快速对标，同时也能反映出其在箱体中成组件时，复杂应力三轴度的变化过程。故通过对挤压型材件进行三点弯曲实验，可仿真逆向获得材料断裂时刻前的应力三轴度云图，如图4所示。再将关键区域（破裂区域）单元的塑性应变与应力三轴度值一起绘制在失效曲线（图3）中。通过对比实际破裂的位置，调整失效曲线使其覆盖所有散点值，使破裂的点位于曲线上方，未破裂的点位于曲线的下方，从而矫正失效模型，弥补单个小样件应力三轴度变化范围较窄，无法获取更多应力三轴度值散点分布的情况。通过矫正后的失效模型，才能对型材件的破裂做准确模拟，如图5所示。

图4 型材件的应力三轴度云图

图5 型材件局部破裂情况仿真与实验的对比

4 动力电池包挤压实验分析

针对电池包在汽车运行过程中易受到碰撞、挤压等破坏变形，国标[16]规定了挤压实验相关要求。本实验采用半圆柱挤压头，方向为竖直，为使箱体产生更多的材料破裂，更好地研究材料破裂行为，实验对象为空箱体，截止条件不设置力而设置位移。

采用显示动力学分析软件 LS-Dyna进行模拟分析。通过观察力位移曲线，相较于无失效本构仿真，采用GISSMO失效本构模拟可以得到比较准确的模拟，曲线的吻合度良好，如图6所示。当周围材料断裂不再连接，中间区域便残留下来，这种细节也得到高度还原。断裂后材料的整体变形，也得到很好模拟，如图7所示。

图6 挤压分析力与位移关系曲线

图7 边框破裂情况实验与仿真对比

5 结论

通过本文所述试验和仿真模拟结果分析可得到如下结论：

1）通过设计对应着不同应力三轴度水平的物理样件，开展静态拉伸、胀形实验获得当前应力三轴度水平状态下的失效塑性应变，得到6061-T6铝合金基本的GISSMO材料失效本构。

2）通过型材件的三点弯曲实验，仿真对标逆向得到应力三轴度的全场分布，输出关键区域单元的散点图，矫正失效应变曲线。

3）观察到挤压分析的模拟，力位移曲线的吻合度较高，材料破裂的位置、区域面积等细节，也得到了高度还原。