基于GISSMO的某动力电池底部球击仿真优化
一、背景
该款电池包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。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。
图 1 某款动力电池包铝合金箱体结构
二、GISSMO简介
常用的仿真失效本构模型包括 Johnson - Cook 断裂准则、成形极限图、CrachFEM 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：
损伤准则采用路径相关断裂准则,则损伤累积增量 ΔD 为：
式中:ID 为非线性损伤累积指数 DMGEXP；εf 为等效塑性应变失效值；D 为损伤值（0<D<1）；Δεp 为等效塑性应变增量。
三、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 AL6005 T6 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。
图 2 铝合金板材样件
图 3 等效应力－塑性应变关系曲线
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,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 4所示,该计算模型满足失效分析计算精度要求。
图 4 单向拉伸实验仿真与实验的误差分析
四、GISSMO标定
通过 LS-DYNA 软件仿真对标（图 5）,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 6 所示。基于 AL6005 T6 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 7 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 5 失效样件的仿真对标
图 6 应力三轴度与失效塑性应变关系曲线
图 7 底板失效仿真过程
五、试验验证
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，如图8所示。 挤压刚性球直径 150 mm,挤压速度为 1 mm·s-1,待挤压力达到18 kN 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8 底部球击实验
图9 底板失效位置对比
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，如图9所示。 从图 10 实验曲线观察可知,位移为 15.1 mm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12.4 mm 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。
图 10 挤压力与位移关系曲线
六、小结
1）通过采用 LS-DYNA 软件里 GISSMO 材料失效本构模型,针对 6005 T6 铝合金进行失效分析。单项拉伸实验的断裂形式可以得到较为准确的模拟,满足模型计算结果的一致性及准确性。
2）观察到力位移曲线,关于材料开始撕裂的时间点的预测,仿真模拟结果（12.4 mm）与实验结果（15.1 mm）的误差低于 17.9%,已经满足工程应用的需求。 故采用 GISSMO 失效本构模型,可以较为准确地判断材料破裂时间点。
3）通过底部球击实验结果及仿真模拟分析,材料失效裂缝均呈一字型形式,吻合度较高,裂缝长度的预测,误差为 9.1%,表明采用 GISSMO 失效本构模型,可以较为准确地模拟实际裂纹的细节特征。
