HOW TO系列 | Rocky辊压工艺(动力电池制造)仿真
辊压工艺是将电极材料压实到箔材上的过程，电极压实提高了电池储能效率，提高了电池电导率和离子传输平衡，增加了电池容量。不当的工艺过程可能会导致电池完整性出现许多问题。制造商必须评估电极在压实过程中的最终曲折度(tortuosity)、孔隙率、电极结构变形和箔材应力，以保证电池质量。本例为您介绍如何使用Ansys Rocky进行辊压工艺仿真。通过仿真您可以预测：
评估辊子轮压缩下的电极和粘合剂机械响应；
提取与孔隙率、压力、电极弹性恢复相关的信息；
研究边界条件变化（粘合剂和电极特性、辊子压力）的影响。.
仿真方案
仿真方案
要从工程角度实现微观尺度颗粒床压实的仿真，缩小计算域至关重要。同时由于所关注的计算域体积相较于电极的长度和宽度而言极小，可对缩小后体积空间边界施加周期性条件，该条件能够捕捉厚度变化，且仍能在箔材的长度和宽度方向保持压实电极的连续性。作用于缩小后的目标电极体积之上的轧辊表面，可看作一个平面。粘接剂采用Rocky的键连接模型(Bond Model)建模，通过键连接表征颗粒之间的内聚结构，并允许在压缩下实现弹塑性行为。箔材、粘接剂、活性颗粒、辊子表面共同构成一个表征体积单元(RVE)，辊压过程的仿真在该区域内进行。（本例提供教学算例，下载方式参见文末。）
提取表征区域
（含箔材、粘接剂、活性颗粒、辊子表面）
缩小后的关注区域
（施加周期性条件）
仿真前的准备
仿真前的准备
Rocky基础
学习本例前建议您已经学习过艾迪捷Ansy Rocky基础课程（共五讲），或者已经掌握Rocky基础操作知识。
Ansys Rocky基础课程
软件：
本例使用Ansys Rocky 2025R2版本，以及用于设定辊压过程辊子运动状态的Compression Motion模块，该模块需要用户通过软件附带脚本编译生成（或联系support@atic-cn.cn）。
计算域外形：
为电极创建一个表征体积单元(RVE)。RVE侧重于远离边缘的区域。由于RVE尺度(很小)，辊子面看作一个平面。压缩过程受压力控制辊子表面仅沿法线方向(Y)移动， 本例采用SpaceClaim创建下图所示辊子和箔材外形（初始电极厚度方向Y为80 μm，Z轴和X轴方向分别为150μm），进行离散处理，并导出为STL格式文件（后续供Rocky使用）。
辊子和箔材外形
仿真输入：
本例所需的输入包括：初始电极床厚度、颗粒分布；电极颗粒粒度分布、形状、热性能；粘接剂模型属性（弹性、临界应力等）；辊子/平板温度、压力、压实时间。
在设定初始颗粒质量时可以使用初始孔隙率及活性材料质量分数两个变量来进行估算，然后使用RVE体积和活性材料密度计算总活性材料质量。活性材料将通过颗粒直接表征，而粘接剂将由Bond模型间接计算。本例采用如下假设
初始孔隙率为50%。
活性材料占总质量的90%。
活性物质的密度为3000 kg/m3。
活性材料的颗粒为球形。
颗粒粒径分布如下表所示：
仿真步骤
第一步：注入颗粒
在预估了需要注入的质量后，您可以使用Volumetric Inlet（体积填充入口）进行设置。设置体积填充入口需要定义三个约束
定义质量：本例中，设为2.43e-9 kg。
定义要注入质量的空间外形：使用几何外形作为范围。
将种子坐标设置在RVE的中心。
检查计算域内的颗粒的总质量。如果未注入总质量，则可以使用Transient Size Scale（瞬态尺寸刻度）模块进行调整。
（计算开始后）Particles tab -> Curves -> Time | Sum:Particle Mass
设置填充体积
填充颗粒样式
第二步：颗粒分布均匀化
颗粒在计算域中完成初始化(分布)后，需要对其进行均质化，以满足微观结构均匀的要求。激活更多的模块/模型进行处理：
Electromagnetic Coupling（电磁耦合）模块，引用该模块的静电力作为斥力(repulsive force)，将颗粒分散到计算域空间中
电荷（颗粒）设置为 1E-14 C。
Screening Distance Factor（屏蔽距离系数）设置为 5。
1-Way Constant CFD Coupling（单向恒定CFD耦合）模型，引用流场力作为颗粒运动的阻尼，避免静电力引起的高速扩散。
水、静止（零速度）
上述假设仅用于数值预处理
颗粒均匀化前后
使用Export Particles to Custom Input（将粒子导出到自定义输入）脚本，将最终颗粒位置导出到文本文件，以便在下一步中用作自定义输入
第三步：创建连接键（Bond）
微观结构生成后，需要以特定的方式在所有颗粒间创建连接键(bond)，即：键的数量应尽量最小化（以减少计算时间）；同时需要确保颗粒和箔材之间的连接。本步通过调整以下Bond模型参数来实现：
Maximum activation distance（最大激活距离）= 4.0μm
Distance factor（距离因子）=1.0
键连颗粒(颗粒-颗粒)
键连颗粒(颗粒-箔材)
对于粘接剂区域的非均匀特性，用户可以创建Regions of Interest（ROI，关注区域）将其在Bond Model模型面板中调用，并根据需要指定所需的层数。对于每个ROI，您可以定义一个Radius multiplier（半径乘数）。此参数将用于通过预定义层缩放 Bond。
第四步：标定“连接键”
一旦所有颗粒都创建了键连接，就需要标定“键特性”以反映粘接剂结构。本步需要配合试验硬度测试(Experimental indentation test)，以获取Thickness evolution（厚度演变)与Roller load（辊子载荷）的关系。本步的标定工作通过调整以下Bond模型参数来进行，以生成预期的电极厚度和辊子上的力(Force)/压力(Pressure)关联信息：
Normal stiffness per area（单位面积法向刚度）
Tangential stiffness per area（单位面积的切向刚度）
Ref non-viscous damping coefficient（参考非粘性阻尼系数）
本例仅考虑辊压过程的一个场景，初始化参数如下：
Normal stiffness per area = Tangential stiffness per area = 1E10 N.m3
Ref non-viscous damping coefficient = 0.6
通常压缩过程基于受力来控制下压速度，以最小厚度作为该工艺的最终结果。本例中通过可以使用Rocky的Compression Motion（压缩运动）模块定义基于受力的压缩过程，本例中对于辊子几何设置Velocity for the compression（压缩速度）和Maximum force（最大力）两个数据。当达到力时，辊子速度反转。用户也可以直接通过运动坐标系(Motion Frame)功能以显式定义直至最大压缩时的运动。
Compression Motion模块界面
第四步：结果后处理及分析
仿真计算完成后，可以输出电极厚度（或孔隙率）和辊子上的响应力变化。对结果进行分析可以看到初始压缩厚度和最终厚度不同，即存在回弹(spring-back)效应，Bond模型会耗散部分键能量。还可以评估电极排列(electrode arrangement)和颗粒相互作用(particle interactions)等。
电极厚度及辊子受
孔隙率(Porosity)
仿真步骤
第一步：注入颗粒
在预估了需要注入的质量后，您可以使用Volumetric Inlet（体积填充入口）进行设置。设置体积填充入口需要定义三个约束
定义质量：本例中，设为2.43e-9 kg。
定义要注入质量的空间外形：使用几何外形作为范围。
将种子坐标设置在RVE的中心。
检查计算域内的颗粒的总质量。如果未注入总质量，则可以使用Transient Size Scale（瞬态尺寸刻度）模块进行调整。
（计算开始后）Particles tab -> Curves -> Time | Sum:Particle Mass
设置填充体积
填充颗粒样式
第二步：颗粒分布均匀化
颗粒在计算域中完成初始化(分布)后，需要对其进行均质化，以满足微观结构均匀的要求。激活更多的模块/模型进行处理：
Electromagnetic Coupling（电磁耦合）模块，引用该模块的静电力作为斥力(repulsive force)，将颗粒分散到计算域空间中
电荷（颗粒）设置为 1E-14 C。
Screening Distance Factor（屏蔽距离系数）设置为 5。
1-Way Constant CFD Coupling（单向恒定CFD耦合）模型，引用流场力作为颗粒运动的阻尼，避免静电力引起的高速扩散。
水、静止（零速度）
上述假设仅用于数值预处理
颗粒均匀化前后
使用Export Particles to Custom Input（将粒子导出到自定义输入）脚本，将最终颗粒位置导出到文本文件，以便在下一步中用作自定义输入
第三步：创建连接键（Bond）
微观结构生成后，需要以特定的方式在所有颗粒间创建连接键(bond)，即：键的数量应尽量最小化（以减少计算时间）；同时需要确保颗粒和箔材之间的连接。本步通过调整以下Bond模型参数来实现：
Maximum activation distance（最大激活距离）= 4.0μm
Distance factor（距离因子）=1.0
键连颗粒(颗粒-颗粒)
键连颗粒(颗粒-箔材)
对于粘接剂区域的非均匀特性，用户可以创建Regions of Interest（ROI，关注区域）将其在Bond Model模型面板中调用，并根据需要指定所需的层数。对于每个ROI，您可以定义一个Radius multiplier（半径乘数）。此参数将用于通过预定义层缩放 Bond。
第四步：标定“连接键”
一旦所有颗粒都创建了键连接，就需要标定“键特性”以反映粘接剂结构。本步需要配合试验硬度测试(Experimental indentation test)，以获取Thickness evolution（厚度演变)与Roller load（辊子载荷）的关系。本步的标定工作通过调整以下Bond模型参数来进行，以生成预期的电极厚度和辊子上的力(Force)/压力(Pressure)关联信息：
Normal stiffness per area（单位面积法向刚度）
Tangential stiffness per area（单位面积的切向刚度）
Ref non-viscous damping coefficient（参考非粘性阻尼系数）
本例仅考虑辊压过程的一个场景，初始化参数如下：
Normal stiffness per area = Tangential stiffness per area = 1E10 N.m3
Ref non-viscous damping coefficient = 0.6
通常压缩过程基于受力来控制下压速度，以最小厚度作为该工艺的最终结果。本例中通过可以使用Rocky的Compression Motion（压缩运动）模块定义基于受力的压缩过程，本例中对于辊子几何设置Velocity for the compression（压缩速度）和Maximum force（最大力）两个数据。当达到力时，辊子速度反转。用户也可以直接通过运动坐标系(Motion Frame)功能以显式定义直至最大压缩时的运动。
Compression Motion模块界面
第四步：结果后处理及分析
仿真计算完成后，可以输出电极厚度（或孔隙率）和辊子上的响应力变化。对结果进行分析可以看到初始压缩厚度和最终厚度不同，即存在回弹(spring-back)效应，Bond模型会耗散部分键能量。还可以评估电极排列(electrode arrangement)和颗粒相互作用(particle interactions)等。
电极厚度及辊子受
孔隙率(Porosity)
展望
Ansys Rocky软件可以同优化算法软件结合，有助于设计人员高效探索工艺参数空间，对辊压压力、辊子速度、辊压间隙尺寸、初始密度等设计参数与目标性能参数之间的耦合关系进行高效的评估。同时将Rocky同Ansys有限元软件相结合，可以进行更广泛的研究，如评估在活性材料辊压作用下箔材自身的力学特征变化。
集流板(CC)的应力&应变结果(Ansys Mechanical)
