徐棟愷,楊智輝,肖 華

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999;2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼),上海 201999)

我國(guó)汽車行業(yè)正處于迅速發(fā)展時(shí)期,為了解決環(huán)境污染及能源短缺等問題,電動(dòng)汽車成為汽車行業(yè)中新能源汽車的一大發(fā)展方向。不同于傳統(tǒng)燃油汽車,電動(dòng)汽車碰撞安全性不僅須滿足傳統(tǒng)燃油汽車的碰撞防護(hù)要求,還需重點(diǎn)考慮其在碰撞過程中所特有的安全問題。電池包結(jié)構(gòu)的安全性對(duì)于整車安全性十分重要,在汽車碰撞過程中,其可能因受到外力沖擊導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂而起火。除此之外,電池包在承受振動(dòng)、外部載荷和沖擊時(shí),內(nèi)部電池組模塊具有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。然而,隨著電動(dòng)汽車逐漸提高的續(xù)航要求、國(guó)家補(bǔ)貼退坡,為了提升整車性能和降低制造成本,汽車輕量化作為國(guó)家戰(zhàn)略開始受到重視。

電池包的開發(fā)設(shè)計(jì)一般經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、有限元仿真驗(yàn)證、試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。試驗(yàn)驗(yàn)證是評(píng)判產(chǎn)生可靠性最重要的一個(gè)環(huán)節(jié),其中機(jī)械沖擊和模擬碰撞測(cè)試常是安全性測(cè)試中通過率較低的項(xiàng)目,如果僅依靠試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證,不僅增加研發(fā)成本,還會(huì)增加時(shí)間周期。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算力學(xué)等理論的飛速發(fā)展,基于有限元理論的CAE分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車安全領(lǐng)域[3-4]。冷曉偉[5]對(duì)某動(dòng)力電池箱進(jìn)行有限元分析,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池箱靜態(tài)和動(dòng)態(tài)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化,依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果,對(duì)動(dòng)力電池箱的底板進(jìn)行重新設(shè)計(jì),提高了動(dòng)力電池箱的承重能力。孫昱晗[6]基于簡(jiǎn)化后的電池包模型對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,設(shè)計(jì)出一款較為輕便、結(jié)構(gòu)可靠的電池箱。蘭鳳崇等[7]結(jié)合電池包精細(xì)化三維模型和有限元仿真手段獲取了與試驗(yàn)結(jié)果匹配的電池包振型及模態(tài),并模擬分析了車載工況下電池包碰撞過程中箱體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的變形和應(yīng)力分布情況。劉瑞慶[8]將碳纖維復(fù)合材料(CFRP)應(yīng)用于動(dòng)力電池殼體,采用有限元分析方法證明了CFRP在剛性柱碰撞下對(duì)電池包有效的保護(hù),使得減輕質(zhì)量的同時(shí)保證電池包滿足一定強(qiáng)度要求。

目前電動(dòng)汽車電池包的主要輕質(zhì)材料有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和各類復(fù)合材料。超高強(qiáng)度鋼板具有表面硬度高,防刺穿能力強(qiáng),耐磨損等優(yōu)異的性能,且原材料成本低,在新能源汽車領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。使用高強(qiáng)鋼替代普通鋼種,并在保證安全與承載能力的前提下進(jìn)行減薄,能夠?qū)崿F(xiàn)車身輕量化[9]。楊新超[10]設(shè)計(jì)的某商用車高強(qiáng)鋼貨柜相比普鋼貨柜方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能得到提升,且輕量化效果顯著。超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)是減輕車身質(zhì)量、提高汽車抗沖擊和防撞性能的重要途徑之一,將熱成形鋼應(yīng)用于車身各關(guān)鍵部位,也是各大汽車廠商的重要工作之一[11]。超高強(qiáng)度鋼在電池包的應(yīng)用,可以在相同條件下,提高電池包的碰撞安全性,滿足電池包輕量化需求。

本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 38031—2020對(duì)一款超高強(qiáng)鋼制電池包進(jìn)行了機(jī)械沖擊和模擬碰撞試驗(yàn),對(duì)其安全性能進(jìn)行評(píng)估;依據(jù)試驗(yàn)工況條件對(duì)電池包進(jìn)行精細(xì)化建模,采用LS_DYNA軟件對(duì)其進(jìn)行兩種試驗(yàn)工況的有限元仿真分析,考察電池包箱體的損傷狀態(tài),評(píng)估該電池包在兩種工況下是否存在開裂和失效的風(fēng)險(xiǎn)。

1 電池包幾何模型

試驗(yàn)所采用的超高強(qiáng)鋼制電池包結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池包的殼體均采用超高強(qiáng)鋼材,其邊框結(jié)合熱輥彎技術(shù)進(jìn)行一體成形制造,而“貫穿式”橫、縱梁采用輥壓工藝制造。

圖1 超高強(qiáng)鋼制電池包實(shí)物圖

原電池包電池模組共有32個(gè),分上下兩層,下層18個(gè),上層14個(gè),單個(gè)模組尺寸規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為355 mm×151.6 mm×108.5 mm,質(zhì)量為11.4 kg,如圖2(a)所示。試驗(yàn)時(shí),電池包電池模組采用方形配重塊進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,相鄰模組之間采用2 mm鐵塊連接。每個(gè)電池包配重塊等效設(shè)計(jì)為11.4 kg,尺寸為355 mm×151 mm×27.5 mm,材質(zhì)為Q235,共32個(gè),如圖2(b)所示,4角的孔為螺栓固定孔,固定在橫縱梁上。原電池布局重心主要分布在兩層電池包的中間層,因此,等效配重塊的重心保持在該平面,安裝位置與原電池模組保持一致。

2 超高強(qiáng)鋼制電池包機(jī)械沖擊與模擬碰撞試驗(yàn)

2.1 機(jī)械沖擊試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

機(jī)械沖擊試驗(yàn)采用的設(shè)備為三綜合試驗(yàn)-20T電振動(dòng)臺(tái),如圖3所示,型號(hào)為ES-200-650,頻率范圍為2～2 500 Hz,最大負(fù)載質(zhì)量為2 500 kg,最大加速度為2 980 m/s2。

圖3 三綜合試驗(yàn)-20T電振動(dòng)臺(tái)

2.1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB 38031—2020規(guī)定,對(duì)電池包施加表1規(guī)定的半正弦沖擊波,±z方向每個(gè)方向6次,共計(jì)12次。由于電池包通過吊耳處的螺栓連接被安裝在整車上,故對(duì)吊耳上的螺栓襯套施加半正弦沖擊波形,對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)估。半正弦沖擊波最大、最小容差允許范圍如圖4所示。

表1 機(jī)械沖擊測(cè)試參數(shù)

圖4 機(jī)械沖擊脈沖容差范圍示意圖

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中,超高強(qiáng)鋼制電池包通過螺栓將吊耳固定安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上,如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)過程中的沖擊加速度曲線如圖6所示。

圖5 超高強(qiáng)鋼制電池包機(jī)械沖擊試驗(yàn)過程

圖6 超高強(qiáng)鋼制電池包沖擊加載曲線

熱輥彎電池包在機(jī)械沖擊試驗(yàn)后的狀態(tài)如圖7所示,其殼體均無破裂、焊點(diǎn)無脫焊現(xiàn)象。變形最大位置在吊耳處,塑性變形5.5%。

圖7 超高強(qiáng)鋼制電池包機(jī)械沖擊后狀態(tài)

2.2 模擬碰撞試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

模擬碰撞試驗(yàn)采用的設(shè)備為加速型碰撞模擬系統(tǒng),如圖8所示,導(dǎo)軌長(zhǎng)度為14 m,最大加速距離為1.2 m,減速距離長(zhǎng)度為11.044 m,測(cè)試托架的安裝面尺寸為2 200 mm×1 400 mm,最大負(fù)載質(zhì)量為1 500 kg。

圖8 模擬碰撞設(shè)備

2.2.2 試驗(yàn)過程

根據(jù)GB 38031—2020要求,將電池包通過工裝設(shè)備水平安裝在帶有支架的臺(tái)車上,根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的使用環(huán)境給臺(tái)車施加規(guī)定的脈沖,并落在圖9所示的最大、最小容差允許范圍內(nèi)。測(cè)試方向包括x和y方向。試驗(yàn)結(jié)束后,應(yīng)在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀察2 h。

圖9 模擬碰撞脈沖容差范圍示意圖

具體試驗(yàn)開展時(shí)進(jìn)行電池包的x和y方向模擬碰撞試驗(yàn)。試驗(yàn)過程圖片和加速度曲線分別如圖10和圖11所示。

圖10 超高強(qiáng)鋼制電池包模擬碰撞試驗(yàn)

圖11 超高強(qiáng)鋼電池包模擬碰撞加速度曲線

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后觀察,電池包殼體無破裂、焊點(diǎn)無脫焊現(xiàn)象,如圖12所示。x向模擬碰撞變形最大位置在吊耳處,塑性變形8.3%。y向模擬碰撞變形最大位置在吊耳處,塑性變形7.7%。

圖12 電池包模擬碰撞試驗(yàn)后狀態(tài)

3 電池包有限元仿真分析模型的建立

3.1 電池包建模

應(yīng)用Hypermesh前處理模塊對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化處理并劃分網(wǎng)格。整個(gè)電池包模型包括邊框、吊耳、底護(hù)板、橫縱梁及等效模組等,電池包下殼體采用四邊形單元為主、三角形單元為輔劃分鈑金件,單元尺寸為5 mm×5 mm。等效電池模組采用六面體單元?jiǎng)澐?網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為15 mm,單元類型為六面體實(shí)體單元。電池包螺栓連接采用rb2剛性單元,邊框及底護(hù)板之間的焊縫采用殼單元模擬,厚度取兩個(gè)連接母材的平均厚度,建立的電池包有限元模型如圖13所示,共280 359個(gè)單元。

圖13 電池包有限元模型

電池包的各個(gè)部件之間采用自動(dòng)自接觸*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE-SURFACE,模擬仿真分析過程中內(nèi)部零部件可能發(fā)生的接觸。自接觸是一種典型的單面接觸,主要用作整個(gè)電池包模型的接觸設(shè)置。

3.2 電池包機(jī)械沖擊仿真模型的構(gòu)建

根據(jù)試驗(yàn)加載條件對(duì)電池包進(jìn)行機(jī)械沖擊仿真邊界條件的設(shè)置。首先,將所有吊耳安裝孔中心節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建為一個(gè)set集,通過關(guān)鍵字*BOUNDARY_SPC_SET約束其除了z向位移以外的全部自由度;接著,對(duì)電池包施加重力場(chǎng)作用,加速度大小為9 800 mm/s2,使得整包所有單元均受到重力場(chǎng)的影響;最后,對(duì)電池包固定吊耳施加z向沖擊加速度載荷,通過關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBEDMOTION_SET實(shí)現(xiàn),其載荷曲線與試驗(yàn)條件保持一致,整個(gè)機(jī)械沖擊加載加速度曲線和半個(gè)正弦波加載曲線如圖14所示。

圖14 機(jī)械沖擊加載曲線

3.3 電池包模擬碰撞仿真模型的構(gòu)建

電池包模擬碰撞包括x向和y向兩種工況,兩個(gè)方向的加載加速度曲線如圖15所示。與機(jī)械沖擊相似,約束固定吊耳除x向或y向(與模擬碰撞方向相同)以外的全部自由度;并對(duì)整包施加重力場(chǎng);最后,通過關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBEDMOTION_SET對(duì)吊耳處施加加速度載荷,并提交LS_DYNA計(jì)算。

圖15 模擬碰撞加載加速度曲線

4 仿真結(jié)果分析及對(duì)比

超高強(qiáng)鋼制電池包機(jī)械沖擊和模擬碰撞工況仿真模型搭建完成后,采用有限元求解器LS_DYNA軟件進(jìn)行求解計(jì)算,并使用Hyperview后處理軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行查看分析。

4.1 電池包機(jī)械沖擊仿真分析結(jié)果

參考標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的機(jī)械沖擊工況,對(duì)電池包進(jìn)行z方向機(jī)械沖擊分析時(shí),由于電池包通過吊耳處的螺栓連接固定安裝在整車上,故對(duì)吊耳上的螺栓襯套施加7g/15 ms的半正弦沖擊波形,對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)估:如圖16所示,電池包呈現(xiàn)內(nèi)凹運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),四周吊耳位置位移較大;最大塑性應(yīng)變發(fā)生在安裝吊耳處,為5.7%,小于材料的斷裂延伸率,未發(fā)生斷裂失效現(xiàn)象。

圖16 機(jī)械沖擊有效塑性應(yīng)變分布云圖

4.2 電池包模擬碰撞仿真分析結(jié)果

圖17和圖18分別為超高強(qiáng)鋼制電池包在x向和y向模擬碰撞仿真分析后箱體的有效塑性應(yīng)變分布云圖。吊耳局部位置產(chǎn)生明顯的塑性應(yīng)變,表明在模擬碰撞工況下,該局部區(qū)域應(yīng)力集中,結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的塑性變形,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.2%,小于箱體材料的斷裂延伸率。因此,該超高強(qiáng)熱輥彎電池包箱體不會(huì)發(fā)生斷裂,電池包不會(huì)發(fā)生泄漏、著火和爆炸等現(xiàn)象,滿足機(jī)械性能要求。

圖17 x向模擬碰撞有效塑性應(yīng)變分布云圖

圖18 y向模擬碰撞有效塑性應(yīng)變分布云圖

4.3 試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)比機(jī)械沖擊和模擬碰撞試驗(yàn)及仿真結(jié)果,見表2。兩個(gè)試驗(yàn)的應(yīng)變最大位置均為吊耳。吊耳材料為SAPH440,斷裂延伸率典型值為30%,均未超過斷裂極限,試驗(yàn)和仿真結(jié)果評(píng)估安全。機(jī)械沖擊試驗(yàn)最大應(yīng)變5.5%,仿真最大應(yīng)變5.7%。x向模擬碰撞試驗(yàn)最大應(yīng)變8.3%,仿真最大應(yīng)變7.9%;y向模擬碰撞試驗(yàn)最大應(yīng)變7.7%,仿真最大應(yīng)變8.2%。仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為一致,數(shù)值模擬方法可以為機(jī)械沖擊和模擬碰撞工況提供指導(dǎo)。

表2 試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文對(duì)一種超高強(qiáng)鋼制電池包進(jìn)行了機(jī)械沖擊和模擬碰撞試驗(yàn),結(jié)果表明該款電池包箱體沒有發(fā)生破裂失效現(xiàn)象,能夠有效保護(hù)箱體內(nèi)電池模組安全;通過對(duì)電池包進(jìn)行精細(xì)化建模,建立了該款電池包在機(jī)械沖擊和模擬碰撞工況下的仿真分析模型,利用LS_DYNA有限元軟件進(jìn)行求解,結(jié)果表明在兩種工況下,電池包箱體的最大塑性應(yīng)變均未超過材料的斷裂延伸率,結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破裂失效。電池包機(jī)械沖擊和模擬碰撞的高精度仿真分析方法能夠準(zhǔn)確地模擬機(jī)械沖擊和模擬碰撞試驗(yàn),仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比誤差較小,最大應(yīng)變誤差0.5%。仿真分析方法可以為電池包產(chǎn)品設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)。