基于ＬＳ⁃ＤＹＮＡ动力电池包底部球击失效分析

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基于ＬＳ⁃ＤＹＮＡ显动力学分析软件，将GISSMO理论引入到动力电池包底部球击分析中，预测材料失效行为。

电池包结构与材料失效分析方法

１.１电池包箱体结构介绍

目前乘用车常用的电池包多为铝合金型材件进行拼焊而成，如图１所示，模组直接通过螺栓安装于箱体上，与上底板之间垫有可起缓冲作用的泡棉。当电池包底部受到侵入破坏时，上底板的突起变形会直接侵入模组底部，带来安全风险。故底板采用双层底板的设计方案，底板分上底板和下底板２层，可起到双层保护。

图１某款动力电池包铝合金箱体结构

该款电池包箱体底板材料参数如下：材料型号为AL6005T6，弹性模量为67GPa，泊松比为0.33，屈服强度为240MPa，抗拉强度为278MPa，材料断裂延伸率为0.09，密度为7.9*10-6kg·ｍｍ^-3。

１．２ＧＩＳＳＭＯ损伤失效模型

准确预测下底板的破坏，对整包安全性能的评估有着十分重要的作用。较为常用的仿真失效本构模型包括 Jonson-Cook断裂准则、成形极限图、rachFEM模型以及GISSMO模型。本文采用可考虑材料在不同受力状态下不同失效应变值、非线性应变路径成形及非线性损伤积累方式的GISSMO模型，作为失效本构模型。

GISSMO连续介质材料失效本构模型基于J-C模型发展而来，综合考虑材料在不同应力三轴度下累积损伤。应力三轴度定义为静水压力与Mises等效应力的比值，表征材料塑性变形能力的约束程度，同时也是影响材料失效时微孔洞演变规律的重要指标。应力三轴度计算公式如下：

２标准样件力学性能实验

力学性能试验通过实验机获得板材力学性能参数，样件为AL6005T5铝合金板材，板料厚度为1.5ｍｍ，如图２所示。室温环境下，通过准静态拉伸试验获得材料拉伸力－位移关系曲线，处理得到应力－应变关系曲线，如图３所示。

图２铝合金板材样件

仿真拉伸力与位移关系变化趋势与实验结果数据吻合度较高，如图４所示，最大误差值低于0.6ｍｍ，通过进行误差分析，均方差值为0.079，如图５所示，该计算模型满足失效分析计算精度要求。

图３等效应力－塑性应变关系曲线

图４单轴拉伸实验与模拟仿真结果变形情况

图５单向拉伸实验仿真与实验的误差分析

３ＣＡＥ仿真分析

３．１无失效本构模型分析结果

分析模型暂未设置材料失效本构，观察箱体底板塑性应变与等效应力分布情况。箱体底部塑性应变云图如图６所示，最大塑性应变主要位于刚性球与箱体底部接触区域，已超过材料断裂极限。箱体应力三轴度云图如图７所示，接触区域应力三轴度数值超过0.5，最大达到0.667。观察图８，位移达到9ｍｍ时，破裂点塑性应变值超过材料断裂延伸率0.09，材料模型的累积损伤开始计算。观察图８发现，达到12.4ｍｍ时，完全产生裂纹（仿真即网格单元的删除）。

图６箱体塑性应变云图及局部放大图

图７箱体应力三轴度云图

图８破裂点塑性应变值与位移关系曲线图

３．２考虑失效本构模型分析结果

通过ＬＳ⁃ＤＹＮＡ软件仿真对标（图9），获得不同应力三轴度所对应的失效应变值。并绘制在二维图上，用光滑曲线拟合得到失效曲线，如图10所示。

基于AL005T6铝合金板材对标分析所得GISSMO失效本构模型，对底板材料设置失效参数，失效模拟仿真过程即裂纹的演化过程，如图11所示，起始时下层底板底部与刚性球接触区域出现短小的一字型裂口，随着裂纹不断的向两端拓展，裂纹的长度不断增加，最后形成一段长长的裂缝。上层底板无明显裂缝，略有微微凸起。

图９失效样件的仿真对标

图１０应力三轴度与失效塑性应变关系曲线

４试验验证与对比分析

４．１试验验证

如图12所示，将电池包安装于工装上，标记球击球击位置点，安排底部球击实验。挤压刚性球直径150ｍｍ，挤压速度为1ｍｍ·ｓ-1，待挤压力达到 18kN时，停止测试，记录停止时的挤压力和位移。电池包箱体底面变形与内部变形情况如图13所示，球击位置处，下层底板有破裂，上层底板黏结的保温棉未有明显变形痕迹。

图１１底板失效仿真过程

４．２对比分析

如图14所示，通过底板失效位置对比发现，材料失效裂缝均呈一字型形式，仿真预测与实验的结果一致。从图15实验曲线观察可知，位移为15.1ｍｍ左右，力位移曲线出现较大幅度陡降，此时底板开始撕裂，裂缝开始形成，这与图８仿真结果中材料破裂起始点结果较为接近。模组电芯无明显挤压迹象。模拟仿真曲线表明，同样出现一字型裂缝，位移为12.4ｍｍ左右，力位移曲线亦出现陡降，各项数据对比分析如表１所示，整体误差较低，准确度满足设计要求。