动力电池-球击工况的最佳实践！

00 背景

    在新能源动力电池的结构仿真分析中，球击工况和挤压工况仿真都属于动力学分析，但并不适合采用ANSYS Mechanical的瞬态结构分析模块，因为这两种工况属于局部作用，会导致局部变形较大，采用瞬态结构分析模块会出现网格畸变导致收敛困难而无法完成。

    必须采用显式动力学分析，本文使用LS-DYNA研究球击工况的一些分析要点。

01 导读

    在新能源动力电池的结构仿真分析中，有球击工况。本文以此为蓝本，建立一个简单的球击案例。目的在于讨论板的以下三个问题：

    1）六面体网格、四面体网格、四边形网格对分析结果的影响；

    2）球击位置使用四边形网格，其它位置使用四面体网格；

    3）球击位置使用六面体网格，其它位置使用四面体网格；

02 几何模型

   几何模型如下图所示。

03 材料模型

    本文使用到的所有材料参数如下。

    线性强化弹塑性。

04 网格划分

    全部网格如下图所示。

05 分析条件

    全部分析条件均为：时长0.02s，约束板左右两侧，球击初速度12000mm/s。

06 仿真分析

06.1 板-六面体网格

    计算耗时如下图所示。

    最大变形和最大塑性应变结果。

06.2 板-四面体网格

    计算耗时如下图所示。

    最大变形和最大塑性应变结果。

06.3 板-四边形网格

    计算耗时如下图所示。

    最大变形和最大塑性应变结果。

06.4 板-四边形网格+四面体网格

    计算耗时如下图所示。

    最大变形和最大塑性应变结果。

06.5 板-六面体网格+四面体网格

    计算耗时如下图所示。

    最大变形和最大塑性应变结果。

07 重要总结

    根据杨桂通教授著作《塑性动力学 第3版》中所述。

    本文查看位移结果可以属于结构动力响应问题，查看塑性应变结果可以属于应力波传播问题。

    为方便读者对比，将板中部的位移-时间响应，塑性应变-时间响应汇总如下。

汇总以上结果，可得到结论如下：

    1）在球击仿真中，使用较粗的一阶四面体网格(板厚方向一层)会导致结果严重偏小，所以不推荐该方案。

    2）使用四边形+四面体组合网格，或者六面体+四面体组合网格，都会使位移响应偏小；并且可以推测四面体占比越多，位移响应就会越小。

    3）使用四边形+四面体组合网格，或者六面体+四面体组合网格，都会使塑性应变响应偏大(笔者认为是组合网格界面的应力波反射导致的)；在实际工程中，偏大的结果有利于保守设计，所以在应力波传播层面来说，这种组合网格方案是可选的。

    4）实际新能源动力电池包的结构造型非常复杂，不可能是简单的平板结构，但如果球击位置及其附近通过简单的切分后，非常容易抽壳，或者非常容易划分为六面体网格，那么本文的研究可以初步表明：四边形+四面体组合网格方案，六面体+四面体组合网格方案，在评价塑性变形场景下，是可以采用的，并且结果往往更加保守！

    5）如果在分析中采用组合网格方案，笔者建议，四边形或六面体网格所占区域的尺寸为球直径两倍以上，并且越大越好。