廣告
碳纖維復(fù)合材料動力電池箱體擠壓性能研究
2020-06-03 23:50:34· 來源：《碳纖維復(fù)合材料動力電池箱體擠壓性能研究》 作者：浙江眾泰汽車研究院
1 引 言據(jù)統(tǒng)計，電動汽車車重降低10%，其續(xù)駛里程可增加5.5%。動力電池的輕量化，可以提高動力電池能量密度，對改善電動汽車的動力性能及續(xù)航里程有著至關(guān)重要的
1 引 言
據(jù)統(tǒng)計，電動汽車車重降低10%，其續(xù)駛里程可增加5.5%。動力電池的輕量化，可以提高動力電池能量密度，對改善電動汽車的動力性能及續(xù)航里程有著至關(guān)重要的作用。
現(xiàn)階段提升電池能量密度的可行方法包括削減對電量儲能無貢獻的電池系統(tǒng)配件、線束、系統(tǒng)附件等重量，或者可以結(jié)合動力電池的設(shè)計選用當下的先進材料，如碳纖維復(fù)合材料。
盡管碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于整車會使得車輛的成本大大提高，但若小部分應(yīng)用于動力電池上，則在一定程度上可降低電動汽車的整車重量，提高續(xù)駛里程，成本也不會提高太多。
電池箱體是新能源汽車動力電池的承載件，一般安裝在車體下部，主要用于保護鋰電池在受到外界碰撞、擠壓時不會損壞。傳統(tǒng)的車用電池箱體采用鋼材、鋁合金等材料鑄造，然后對表面進行防腐蝕性噴涂處理。碳纖維材料具有優(yōu)良的耐蝕性和阻燃性，便于在動力電池碳纖維材料箱體上應(yīng)用。
本文采用有限元軟件LS-DYNA，建立動力電池箱體有限元模型及碳纖維復(fù)合材料、鋪層設(shè)置及厚度積分定義，對其準靜態(tài)擠壓過程進行模擬仿真，分析碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料擠壓力學性能及碳纖維復(fù)合材料鋪層角度對結(jié)構(gòu)性能的影響。最后通過對比試驗測試數(shù)據(jù)與有限元仿真分析結(jié)果，驗證材料模型及有限元模型的準確性。
2 數(shù)值模擬實現(xiàn)方法
2.1 碳纖維箱體材料及鋪層參數(shù)
金屬電池箱外形如圖1 所示， 外輪廓長1230mm，寬1100mm，高120mm，箱體質(zhì)量為35kg。用碳纖維復(fù)合材料替代鈑金材料電池包箱體，結(jié)構(gòu)采用蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)承載，其中面板采用T700 碳纖維環(huán)氧樹脂，芯層采用正六邊形鋁蜂窩，如圖2、圖3 所示。該碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料動力電池箱體的質(zhì)量約為8.5kg，相對于傳統(tǒng)的鋼材或者鋁合金電池箱體能減重50%以上。
碳纖維環(huán)氧樹脂T700 單層板材料性能參數(shù)見表1。其樹脂體積含量占比37.06%，纖維體積含量占比52.18%。芯層材料性能參數(shù)見表2。蜂窩鋁材料力學測試三個方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4，其中aa、bb、cc 分別為材料坐標系下對應(yīng)的法向、橫向、縱向三個方向。
碳纖維復(fù)合材料箱體結(jié)構(gòu)由底板、側(cè)板、加強筋三部分構(gòu)成，如圖5 所示。其中碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料涉及材料鋪層，在碳纖維鋪層設(shè)置中的鋪層角度方面與實際的工藝狀態(tài)保持一致。
夾層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料面板在LS-DYNA材料卡片采用MAT54 號材料Shell 單元類型定義，復(fù)合材料卡片關(guān)鍵字為*Mat_Enhanced_Composite_Damage，其中需要在卡片里根據(jù)材料力學試驗工況設(shè)置材料力學矢量方向，卡片參數(shù)參照表1 進行設(shè)置。MAT54 號材料采用Chang-Chang 準則來判定鋪第2 期 洪求才，等：碳纖維復(fù)合材料動力電池箱體擠壓性能研究 903層的失效行為，當材料超出彈性變形進入塑性變形階段時，其失效行為如下。
1)纖維拉伸行為模式(σ aa＞0 )
2)纖維壓縮行為模式(σ aa＜0)
3)基體拉伸行為模式(σ bb＞0)
4)基體壓縮行為模式(σ bb＜0)
基體壓縮失效后，Vab=Vba=0→Gab=0。
式中：a為纖維方向；b 為垂直于纖維方向；c 為厚度方向；β為纖維拉伸模式下剪切項的加權(quán)因子；σ aa為纖維斷裂應(yīng)力；σ bb為基體開裂應(yīng)力；e2f、e2c、e2m、e2d為各自對應(yīng)模式下的失效判據(jù)。夾層結(jié)構(gòu)的正六邊形蜂窩鋁芯層采用MAT126號材料SOLID單元定義，材料卡片關(guān)鍵字為*Mat_Modified_Honeycomb，卡片參數(shù)參照表2 設(shè)置。
2.2 碳纖維材料特性仿真與試驗對標
試驗采用手動楔形夾具進行試樣裝夾；采用GBT 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》規(guī)定的Ⅱ型試樣形式尺寸，試件鋪層角度為[90°，0°，90°，0°]，共四層，厚度為0.8mm；試驗加載速度為5mm/min，直至試件破壞，如圖6 所示。對材料力學特性應(yīng)用仿真分析，并與試驗結(jié)果對比，對時間步長、單元積分形式等參數(shù)進行多輪迭代修正，選擇更為穩(wěn)健的數(shù)值分析擬合試驗與仿真結(jié)果。通過仿真與試驗結(jié)果對比曲線可知，仿真與試驗的一致性能得到了較好擬合?；诂F(xiàn)有的材料參數(shù)及試驗結(jié)果綜合評估，可以進一步應(yīng)用后續(xù)工程開發(fā)動力電池箱體性能開發(fā)。
2.3 碳纖維材料動力電池箱體有限元模型設(shè)置及仿真分析結(jié)果
根據(jù)GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3 部分：安全性要求與測試方法》要求，用半徑為75mm 的半圓柱(半圓柱體的長度大于測試對象的高度，但不超過1m)沿著汽車行駛方向x 軸和垂直汽車行駛方向的y 軸擠壓電池包?；贚S-DYNA 有限元方法模擬擠壓工況(本文以擠壓x 向進行闡述)。以最大擠壓力、平均擠壓力、內(nèi)能、比吸能性能指標評判電池包系統(tǒng)的安全性能。最大壓潰力Fmax 為擠壓過程中擠壓力的峰值，平均作用力Fmean 為整個擠壓歷程中的平均擠壓力，內(nèi)能Einternal 則由壓潰力F 與壓潰距離s 曲線對應(yīng)的積分面積得出。比吸能Es 為結(jié)構(gòu)在擠壓破壞長度范圍內(nèi)單位質(zhì)量所吸收的內(nèi)能。
式中：ρ為材料密度；E 為內(nèi)能；F 為壓潰力載荷；A 為結(jié)構(gòu)橫截面積；m 為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；s 為壓潰距離。
碳纖維復(fù)合材料箱體電池包系統(tǒng)擠壓工況有限元模型(本文以x 向擠壓工況闡述)，有限元模型碳纖維復(fù)合材料采用三角形殼單元、夾芯層SOLID單元模擬，節(jié)點數(shù)量為609530 個，單元數(shù)量為1021080 個，箱體結(jié)構(gòu)件之間采用節(jié)點耦合。電池模組及BMS 系統(tǒng)、熱管理、線束及集成蓋板等附件重量采用集中質(zhì)量點，根據(jù)質(zhì)量分布形式通過REB2 單元與箱體螺栓孔位置連接。整個有限元仿真模型由電池包系統(tǒng)、剛性墻、地面及擠壓剛性半圓柱組成，如圖7 所示。剛性半圓柱材料MAT20僅釋放x 向材料流動，其他方向自由度約束，按照恒定速度施加強迫位移， 加載卡片關(guān)鍵字*Boundary_Prescribed_Motion_Rigid。剛性半圓柱與箱體接觸卡片定義節(jié)點與面接觸， 即*Contact_Automatic_Nodes_to_Surface。由于箱體與剛體材料剛度差異較大，設(shè)置SOFT=1 保證合理的接觸剛度計算節(jié)點不穿透剛性半圓柱。為了增加計算模型仿真精度及響應(yīng)的穩(wěn)定性，控制卡片中*Control_Shell ISTUPD=0，*Control_Bulk_ViscosityTYPE=-2 及*Control_Accuracy INN=2 進行設(shè)置，其中ISTUPD 提升殼單元收斂及計算穩(wěn)定性；TYPE 應(yīng)用黏性殼單元能量穩(wěn)定；INN 應(yīng)用于殼及厚殼單元。
碳纖維復(fù)合材料屬性卡片定義*Section_Shell，正交各向異性復(fù)合材料分層ICOMP=1 設(shè)置鋪層角度，通過IRID 關(guān)聯(lián)Shell 單元厚度方向自定義積分形式*Integration_Shell，示例如下。
其中：NIP 為厚度方向積分點數(shù)量；S 為積分點范圍[-1，1]；WF 為單元厚度方向劃分積分點重量系數(shù)，即WF=△ t / t ，t為積分點總厚度。WF加權(quán)等于1，如圖8 所示。
以箱體底板夾芯上下面板碳纖維鋪層角度共6 個鋪層為例，如圖9 所示，鋪層角度示意分別為[0°，-60°，0°，-60°，0°，-60°]、[0°，-30°，0°，-30°，0°，-30°]、[0°，30°，0°，30°，0°，30°]、[0°，60°，0°，60°，0°，60°]、[0°，90°，0°，90°，0°，90°]。鋪層角度仿真結(jié)果統(tǒng)計表如表3 所示，[0°，-60°，0°，-60°，0°，-60°]鋪層擠壓峰值力最大值為121.59kN，但[0°，60°，0°，60°，0°，60°]鋪層平均擠壓力最大值為48.2kN，對應(yīng)的內(nèi)能(Einternal=289.9kJ)與比吸能(Es=30.35kJ·kg-1)也最大。不同纖維鋪層角度擠壓力曲線對比與內(nèi)能對比曲線分別如圖10、圖11 所示。由圖12 擠壓力曲線圖可知，[0°，90°，0°，90°，0°，90°]鋪層對應(yīng)的擠壓力曲線出現(xiàn)“W”型波動，主要原因在于擠壓過程中局部出現(xiàn)壓潰失效現(xiàn)象，導(dǎo)致擠壓力不能維持上升通道，在結(jié)構(gòu)開發(fā)中盡可能要避免這種現(xiàn)象。一般地，擠壓力峰值和平均擠壓力越大表明結(jié)構(gòu)抗破壞性能越好，內(nèi)能和比吸能越大表明結(jié)構(gòu)吸能或者壓潰性能越好，在結(jié)構(gòu)抗壓潰性能評價時要綜合考慮。
3 結(jié) 論
本文分析了碳纖維復(fù)合材料不同鋪層角度對擠壓工況下結(jié)構(gòu)性能的影響，得出結(jié)論如下。
1)在x 向動力電池包擠壓工況下，[0°，-60°，0°，-60°，0°，-60°]鋪層擠壓力峰值最大，F(xiàn)max=121.59kN。
2)從平均擠壓力Fmean、內(nèi)能Einternal、比吸能Es來看，[0°，60°，0°，60°，0°，60°]鋪層角度擠壓性能最佳，并且最大擠壓力Fmax=110.59kN滿足GB/T 31467.3-2015 標準中擠壓力大于100kN要求。
3)[0°，90°，0°，90°，0°，90°]鋪層擠壓力波形出現(xiàn)“W”型波動，在結(jié)構(gòu)開發(fā)中應(yīng)避免這種形式。綜合評估[0°，60°，0°，60°，0°，60°]鋪層角度在x 向擠壓性能滿足設(shè)計要求。同樣需在動力電池y 向擠壓工況下研究碳纖維鋪層角度對結(jié)構(gòu)性能影響，全面評估電池包x 向和y 向擠壓綜合力學性能，滿足電池包最佳的擠壓性能碳纖維鋪層角度。
采用LS-DYNA 仿真方法能夠?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)在擠壓工況下的載荷峰值、平均載荷、吸能效能等進行數(shù)值模擬，可以達到減少試驗次數(shù)、縮短開發(fā)周期和節(jié)約開發(fā)成本等目的。碳纖維復(fù)合材料仿真與試驗擬合曲線一致性較好，可以有效利用仿真技術(shù)進行工程應(yīng)用。
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗方法”將有國家標準
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國法規(guī)R59對機動車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國法規(guī)R58對后下部防護裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國法規(guī)R57對摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
