基于內(nèi)聚力模型的動力電池膠粘連接仿真研究

孫啟坤　王鵬　李良　馮富春　張新意　黃榮

摘 要：針對動力電池中的膠粘連接，本文開展電池包用結(jié)構(gòu)膠粘接對接接頭和拉伸剪切接頭的力學性能測試，獲取了基于內(nèi)聚力模型的膠粘界面力學性能參數(shù)，并將其應(yīng)用于電池包準靜態(tài)擠壓分析中，仿真預(yù)測擠壓過程中結(jié)構(gòu)膠的開裂失效和整包的機械安全性能。對動力電池包開展擠壓試驗，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，未發(fā)生安全問題?；趦?nèi)聚力模型模擬結(jié)構(gòu)膠開裂失效，可以為電池包結(jié)構(gòu)高集成和輕量化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：膠粘連接 內(nèi)聚力模型 動力電池 結(jié)構(gòu)仿真 擠壓試驗

1 前言

動力電池是純電動汽車的儲能裝置和動力來源，占整車重量比例較大。為提升電池包的能量密度，緩解續(xù)航焦慮，需要對電池進行高集成、輕量化設(shè)計。近年來針對動力電池的新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝技術(shù)持續(xù)涌現(xiàn)，其中包括了結(jié)構(gòu)膠的廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)膠在電池包中可用于電芯粘接、箱體粘接、液冷板粘接等，通過與被連接界面之間的物理、化學作用將材料粘接在一起。

膠粘界面的力學性能與金屬材料不同，不能直接將金屬材料強度評定準則應(yīng)用于膠粘連接。為了保證動力電池機械安全性能評價的準確性，針對電池包中的膠粘連接，有必要開展仿真方法研究。在目前的膠粘連接仿真研究中，趙寧[1]采用內(nèi)聚力模型仿真分析了鋁管膠接接頭的強度，評價膠接接頭的承載能力；邵宇吉[2]基于內(nèi)聚力模型，開展了車用結(jié)構(gòu)膠粘接接頭強度仿真，分析了粘接接頭的應(yīng)力分布規(guī)律；盧志國[3]建立鋼板搭接接頭的三維有限元模型，研究了膠層尺寸對承載能力的影響，分析膠層尺寸對應(yīng)力分布影響；周奧[4]試驗測試了鋼鋁混合粘接接頭的強度，使用內(nèi)聚力模型進行數(shù)值模擬，驗證了模型有效性。

本文基于內(nèi)聚力模型，通過試驗和仿真相結(jié)合，研究電池包用結(jié)構(gòu)膠粘接對接接頭和拉伸剪切接頭的力學性能，以獲取膠粘界面內(nèi)聚力模型參數(shù)，并應(yīng)用于動力電池機械安全性能分析中。

2 內(nèi)聚力模型簡介

在結(jié)構(gòu)開裂仿真模擬計算當中，內(nèi)聚力模型得到了廣泛應(yīng)用，能夠用于模擬裂紋擴展、靜動載荷下材料的蠕變行為、膠粘接頭開裂等領(lǐng)域。內(nèi)聚力模型能夠描述膠粘劑粘接界面從應(yīng)力增大到開始發(fā)生損傷，直至開裂失效的過程。該模型的本構(gòu)方程是粘接界面應(yīng)力和界面相對位移的數(shù)學關(guān)系。通常將粘接膠層建成一層實體內(nèi)聚力單元，賦予相應(yīng)的剛度、界面應(yīng)力-界面相對位移關(guān)系。雙線性內(nèi)聚力模型應(yīng)力-位移關(guān)系[1]如圖1所示，橫坐標是界面相對位移，縱坐標是內(nèi)聚力單元應(yīng)力。在拉伸或剪切載荷作用下，隨著粘接界面相對位移的增加，應(yīng)力逐漸增大，此上升階段直線斜率是法向和兩個切向的剛度Knn、Kss、Ktt。當應(yīng)力增大至臨界應(yīng)力：最大法向應(yīng)力或兩個最大切向應(yīng)力、，對應(yīng)的臨界相對位移為或、時，此時內(nèi)聚力單元開始發(fā)生損傷。隨著界面相對位移繼續(xù)擴大，應(yīng)力逐漸降低，單元逐步失效退化。單元最終斷裂失效時的界面相對位移是：或、。

一般來說結(jié)構(gòu)承受的載荷比較復(fù)雜，應(yīng)力狀態(tài)不是單軸，而是多軸復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。在模擬粘接界面的開裂擴展行為時，也要考慮多種開裂模式混合擴展。判斷內(nèi)聚力單元損傷初始點的規(guī)則包括最大應(yīng)力準則、二次應(yīng)力準則、最大應(yīng)變準則、二次應(yīng)變準則等，其中二次應(yīng)力準[4]則偏保守，綜合考慮三方向的受力狀態(tài)，運用較為廣泛，如方程（1）所示。

（1）

式中，N、S、T分別是內(nèi)聚力單元法向、兩個切向的應(yīng)力。

當應(yīng)力超過臨界應(yīng)力之后，單元開始損傷。本文采用基于能量的裂紋復(fù)合擴展準則，綜合考慮復(fù)雜載荷下的失效。ABAQUS中提供了基于能量的BK準則[1]，如方程（2）所示。

（2）

式中：GI、GII、GIII分別是三個方向的斷裂韌性，是內(nèi)聚力單元在斷裂前所吸收的能量，其中、、；G切向=GII+GIII；η為材料常數(shù)；；K是粘接界面的剛度；是混合模式下單元開始發(fā)生損傷的臨界位移，是混合模式下內(nèi)聚力單元完全斷裂時的位移。

在ABAQUS中使用退化指標SDEG衡量內(nèi)聚力單元的損傷程度[2]，方程為：

（3）

式中是混合模式下內(nèi)聚力單元實際相對位移。在應(yīng)力較低，不滿足損傷起始準則之前，SDEG為零。超過臨界位移之后，SDEG逐漸增大，達到失效臨界位移時SDEG為1。此時內(nèi)聚力單元失效刪除，結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂。

本文采用二次應(yīng)力損傷起始準則和基于能量的裂紋混合擴展損傷模式，通過膠粘對接接頭和拉伸剪切接頭力學性能測試，獲取粘接界面的內(nèi)聚力模型力學性能參數(shù)，包括：粘接界面剛度、強度、韌性等。

3 膠粘連接試驗與仿真驗證

3.1 膠粘接頭力學性能試驗

采用市場上某款主流動力電池用結(jié)構(gòu)膠，參照國標[5，6]制備了膠粘對接接頭和拉伸剪切接頭各5個。對接接頭由兩根圓鋁棒（材質(zhì)：Al3003）對接粘接構(gòu)成。圓鋁棒直徑15mm，膠層厚度0.5mm。拉伸試驗機夾具夾緊鋁棒兩端，拉伸載荷垂直于粘接面，拉伸直至接頭斷開，記錄拉伸載荷-位移數(shù)據(jù)。拉伸剪切接頭（材質(zhì)：Al3003）由兩塊尺寸100mm×25mm×1.6mm的鋁板搭接粘接構(gòu)成，兩者搭接粘接面尺寸為25mm×12.5 mm，膠層厚度0.5mm。拉伸試驗機夾具夾緊接頭兩端，拉伸載荷平行于粘接面，施加載荷直至接頭斷開，記錄拉伸載荷-位移數(shù)據(jù)。

通過試驗獲取了5個對接接頭、5個拉伸剪切接頭的拉伸載荷-位移曲線，基于第2節(jié)的內(nèi)聚力模型理論，分別處理后得到剛度、強度、韌性等參數(shù)，取平均值如下表1。

3.2 膠粘連接仿真與驗證

根據(jù)試驗測試接頭的尺寸，在hypermesh中建立有限元仿真模型，如圖2、圖3所示。采用六面體單元劃分網(wǎng)格，膠層采用一層六面體單元并定義為內(nèi)聚力單元（cohesive element），賦予表1中的力學性能參數(shù)。結(jié)構(gòu)膠單元與鋁棒（鋁板）通過綁定方式連接。模型約束與加載方式與試驗相同。設(shè)置輸出場變量包括退化指標（SDEG）、狀態(tài)變量（STATUS），以觀測內(nèi)聚力單元的失效退化進度、控制內(nèi)聚力單元的存在狀態(tài)。

應(yīng)用ABAQUS求解器對上述仿真模型開展求解，從結(jié)果文件中提取了接頭的反力-位移曲線，如圖4、圖5中虛線所示。實線是根據(jù)實測拉伸力-位移數(shù)據(jù)的平均值繪制，可見仿真與實測一致，說明獲取的參數(shù)能夠準確反映粘接接頭的力學行為。

以對接接頭拉伸模擬過程為例，如圖6所示為損傷起始時刻的位移、退化進度SDEG、單元狀態(tài)STATUS。內(nèi)聚力單元開始出現(xiàn)損傷，退化進度SDEG為15%，單元存在狀態(tài)STATUS為100%，表示單元沒有失效刪除。圖7為臨近斷裂時刻的狀況，此時SDEG升高至95%，單元狀態(tài)STATUS仍是100%，但繼續(xù)提高載荷會導致內(nèi)聚力單元破壞并自動刪除。圖8是接頭斷裂，此時內(nèi)聚力單元完全失效刪除。通過仿真和實測數(shù)據(jù)對比，可見內(nèi)聚力模型能夠準確模擬膠粘接頭的界面力學行為，能夠用于動力電池膠粘連接仿真分析。

4 在動力電池仿真中的應(yīng)用與驗證

以電池包擠壓仿真分析為例，將內(nèi)聚力模型應(yīng)用于膠粘連接建模和分析。擠壓測試用于檢驗動力電池在受到擠壓載荷時的安全性能。根據(jù)國標[7]要求，采用半徑75mm的半圓柱擠壓板，在擠壓力達到100kN時停止擠壓。某型電池包的液冷板和箱體框架通過結(jié)構(gòu)膠粘接，使用內(nèi)聚力單元對結(jié)構(gòu)膠進行建模，采用第3節(jié)獲取的結(jié)構(gòu)膠仿真力學性能參數(shù)。

參照國標進行整包擠壓仿真建模，擠壓頭縱置。擠壓前邊框仿真模型如圖9所示，擠壓后邊框、側(cè)邊框時相應(yīng)轉(zhuǎn)換擠壓板和剛性墻位置。剛性墻設(shè)置為不可變性剛體。電池包的主要材質(zhì)為：箱體Al6005A-T6、上蓋Al5754-H22、底護板Al6061-T6。選用顯式動力學分析步，應(yīng)用中心差分法對運動方程進行時間積分。接觸屬性設(shè)置為通用接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。結(jié)構(gòu)膠采用一層六面體單元建模，設(shè)置為內(nèi)聚力單元，與附近結(jié)構(gòu)通過綁定方式連接。整個模型包括1704330個單元，1756427個節(jié)點。分別擠壓動力電池包的前邊框、后邊框、側(cè)邊框的薄弱位置。

4.1 擠壓前邊框仿真結(jié)果

圖10為擠壓前邊框仿真結(jié)果，擠壓力100kN時擠壓量為36.5mm，前邊框受擠壓位置的等效塑性應(yīng)變超過延伸率，會發(fā)生局部材料開裂，但是沒有擠壓到內(nèi)部電器件和模組。圖9（c）中深藍色為結(jié)構(gòu)膠，在寬度方向有部分單元開裂刪除，但沒有發(fā)生貫穿破壞。

4.2 擠壓后邊框仿真結(jié)果

圖11為擠壓后邊框仿真結(jié)果，擠壓力100kN時擠壓量為28.4mm，擠壓位置的等效塑性應(yīng)變超過延伸率，會發(fā)生局部材料開裂，但沒有擠壓到內(nèi)部模組，結(jié)構(gòu)膠沒有發(fā)生開裂。

4.3 擠壓側(cè)邊框仿真結(jié)果

圖12為擠壓側(cè)邊框仿真結(jié)果，擠壓力100kN時擠壓量為28.9mm，側(cè)邊框擠壓位置的等效塑性應(yīng)變超過延伸率，側(cè)邊框會發(fā)生局部開裂，但沒有擠壓到模組，結(jié)構(gòu)膠沒有開裂。

4.4 動力電池擠壓測試結(jié)果

對電池包開展了擠壓測試，實測結(jié)果如圖13所示。在三個方向擠壓試驗后，沒有發(fā)生冒煙、起火爆炸等現(xiàn)象。對電池包進行開蓋拆解，內(nèi)部模組和電器件沒有受到擠壓，結(jié)構(gòu)膠沒有發(fā)生貫穿開裂現(xiàn)象。測試結(jié)果與仿真相符，說明基于內(nèi)聚力模型能夠有效預(yù)測擠壓過程中結(jié)構(gòu)膠的開裂失效和整包的機械安全性能。

5 結(jié)論

1）通過膠粘對接接頭和拉伸剪切接頭的力學試驗，基于內(nèi)聚力模型，能夠獲取準確的膠粘界面力學性能參數(shù)，可用于動力電池膠粘連接仿真建模和分析。

2）開展動力電池擠壓仿真和測試，驗證了內(nèi)聚力模型在電池結(jié)構(gòu)仿真中的可行性，能夠提高電池包機械安全性能評估的準確度，可以支持動力電池高集成、輕量化設(shè)計。

參考文獻：

[1]趙寧，歐陽海彬，戴建京，等. 內(nèi)聚力模型在結(jié)構(gòu)膠接強度分析中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程，2009（11）：5.

[2]邵宇吉. 車用結(jié)構(gòu)膠粘接接頭強度研究[D]. 湖南大學.

[3]盧志國，楊紇，林建平. 膠層尺寸對單搭膠接接頭性能的影響研究[J]. 中國膠粘劑，2009，18（5）：3.

[4]周奧.鋼/鋁結(jié)構(gòu)膠連接強度影響因素的試驗和數(shù)值模擬研究[D]. 湘潭大學.

[5]GB/T 6329-1996，膠粘劑對接接頭拉伸強度的測定[S].

[6]GB/T 7124-2008，膠粘劑.拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）[S].

[7]GB 38031-2020，電動汽車用動力蓄電池安全要求[S].