某型號(hào)鋰電池全紙化包裝件跌落仿真分析

鞏桂芬，何興娟，周健民，張美琦

某型號(hào)鋰電池全紙化包裝件跌落仿真分析

鞏桂芬a,b,c，何興娟a,b,c，周健民a,b,c，張美琦a,b,c

（陜西科技大學(xué) a.陜西省造紙技術(shù)與特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)研究室 b.中國(guó)輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 c.輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西安 710021）

驗(yàn)證鋰離子電池全紙化運(yùn)輸包裝件的防護(hù)性能。依據(jù)鋰離子電池的產(chǎn)品特性、流通環(huán)境以及包裝防護(hù)等多方面要求，選用合適的紙質(zhì)包裝材料得到全紙化的包裝方案，選用仿真分析軟件對(duì)包裝件進(jìn)行跌落模擬，得到其應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)數(shù)據(jù)。由跌落仿真分析可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在外殼上蓋凸臺(tái)位置，其應(yīng)力值為346.06 MPa，超過(guò)外殼最大許用應(yīng)力值（325 MPa），外殼發(fā)生破損。鋰電池包裝件跌落時(shí)，外殼等效應(yīng)力值為1.211 MPa，仿真得到的應(yīng)力值均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力，不會(huì)發(fā)生損壞。該包裝結(jié)構(gòu)能夠在運(yùn)輸過(guò)程中吸收大部分的沖擊能量，能很好地保護(hù)內(nèi)部產(chǎn)品不受損傷，具有良好的防護(hù)性能。

碳中和；鋰電池；跌落仿真

社會(huì)發(fā)展、環(huán)境惡化引起人們對(duì)全球氣候的關(guān)注，雙碳目標(biāo)再次出現(xiàn)在大眾的視野[1]，企業(yè)積極響應(yīng)，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，加快“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，其符合國(guó)家利益，體現(xiàn)國(guó)際責(zé)任。黨的二十大報(bào)告中再次強(qiáng)調(diào)低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展，“雙碳”目標(biāo)必將給包裝行業(yè)帶來(lái)廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革。

鋰離子電池憑借著眾多優(yōu)點(diǎn)，成為較理想的能源載體[2]，是目前儲(chǔ)能產(chǎn)品中競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)、應(yīng)用較廣泛的產(chǎn)品之一[3]。我國(guó)鋰電池出口量從2016年起逐年增加[4]，同時(shí)對(duì)包裝行業(yè)提出更高要求。鋰電池中含有大量的活潑性金屬鋰，易燃，安全性不高。運(yùn)輸或緩沖不當(dāng)都將引起電池?fù)p壞或爆炸，包裝設(shè)計(jì)安全性尤為重要[5]。本文以某品牌12 V、288 kC的鋰電池為研究對(duì)象，運(yùn)用CREO 6.0和ANSYS Workbench對(duì)鋰電池運(yùn)輸包裝件進(jìn)行跌落仿真分析，模擬實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的工況。通過(guò)等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，并結(jié)合材料屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力綜合判斷包裝方案的可行性。

1 鋰電池及其包裝件模型建立

1.1 鋰電池運(yùn)輸包裝材料選擇與設(shè)計(jì)

鋰電池屬于危險(xiǎn)品，包裝時(shí)需選擇強(qiáng)度、防潮等性能好的材料。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的包裝材料為泡沫材料，其雖性能優(yōu)良，但使用后難回收難降解，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大影響?？山到獠牧系膬r(jià)格昂貴且多數(shù)還處于試驗(yàn)探索階段，難以批量化生產(chǎn)并作為包裝材料廣泛應(yīng)用。紙質(zhì)材料因具有價(jià)格低廉、污染小、可回收處理等優(yōu)點(diǎn)，成為多數(shù)包裝企業(yè)的首選，也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，瓦楞紙板、紙漿模塑、蜂窩紙板等是目前制造業(yè)運(yùn)用最多的紙質(zhì)包材。瓦楞紙板相較于紙漿模塑和蜂窩紙板，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如成本低廉，原材料充足，易加工生產(chǎn)，廢棄物可回收利用；緩沖性能優(yōu)良，材質(zhì)柔軟，易于折疊；多種性能結(jié)構(gòu)交叉使用，結(jié)構(gòu)精巧；瓦楞紙板密度小，質(zhì)量輕，不易產(chǎn)生靜電。

本文選用BC瓦楞紙板作為緩沖材料，底部承受的質(zhì)量大，則采用兩側(cè)紙板向內(nèi)折疊的方式，提高抗壓性能。一側(cè)產(chǎn)品有凸起，紙板依據(jù)產(chǎn)品的凸起折疊，增大受力面積，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生損傷。鋰電池包裝件三維圖形如圖1所示。

1.2 鋰電池三維模型的建立

某型號(hào)鋰電池的基本尺寸為320 mm×210 mm× 162 mm，主要零部件含有產(chǎn)品外殼、頂蓋、散熱板、PCB電路板、電芯、導(dǎo)線以及螺栓螺母等元器件。利用CREO三維軟件繪制鋰電池樣品的三維模型，對(duì)模型合理簡(jiǎn)化、減少模型網(wǎng)格劃分的次數(shù)以此來(lái)提高計(jì)算效率，減少工作量。模型簡(jiǎn)化是對(duì)整體模型結(jié)構(gòu)分析影響不大的區(qū)域或是在模擬中沒(méi)有實(shí)用意義的曲面、倒角等進(jìn)行省略及簡(jiǎn)化處理[6]。簡(jiǎn)化后模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化后的鋰電池包裝件三維模型

1.3 材料性能參數(shù)定義

仿真軟件一般包含了大部分且常用的材料參數(shù)，鋰電池的所有零部件材料參數(shù)未完全包含其中，需自行定義。材料屬性的添加需包含其基本參數(shù)，如材料密度、彈性模量、泊松比等[7-8]。根據(jù)制造商提供的信息和數(shù)據(jù)可知，鋰電池各零件對(duì)應(yīng)材料的相關(guān)參數(shù)信息如表1所示。其中，由于鋁合金外殼屬于非線性材料，且在實(shí)際過(guò)程中屬于主要受力部件，是保障產(chǎn)品不發(fā)生損傷的前提。因此在鋁合金材料參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要增加材料的屈服強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和仿真的可靠性，更加符合工程實(shí)際。

表1 包裝件各部位材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of each packaging part

瓦楞紙板由于紙張纖維取向性表現(xiàn)出各向異性，在（MD即為機(jī)械方向）、(CD即紙板楞向）、（TD即厚度方向）3個(gè)方向上表現(xiàn)出不同的材料性能，是一種正交各向異性的材料。軟件數(shù)據(jù)庫(kù)缺少相關(guān)的材料參數(shù)，無(wú)法直接對(duì)瓦楞紙板賦予相應(yīng)參數(shù)。

瓦楞紙板芯紙層為波紋結(jié)構(gòu)，在仿真過(guò)程中需對(duì)其進(jìn)行等效。目前等效理論主要有3種。一是等效成同一材質(zhì)、均勻密度但是厚度不同的單層板[9-11]；二是混合等效成厚度相同的正交各向異性板[12-15]；三是利用正弦函數(shù)模型等效，得到瓦楞紙板的9個(gè)等效參數(shù)，即為彈性模量（E、E、E）、剪切模量（G、G、G）以及泊松比（μ、μ、μ）[16]。瓦楞紙板作為緩沖襯墊，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，會(huì)涉及到很多單元和節(jié)點(diǎn)。為方便計(jì)算，選用第2種等效方式，材料參數(shù)如表2所示。線性等效會(huì)與實(shí)際的非線性材料產(chǎn)生一定的誤差，但是考慮到材料的各向異性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及材料生產(chǎn)的缺陷性，其誤差是在可接受的范圍內(nèi)。

表2 BC楞型瓦楞紙板等效材料參數(shù)

Tab.2 Equivalent material parameters of BC corrugated board

1.4 接觸類型設(shè)置

依據(jù)鋰電池在運(yùn)輸途中可能發(fā)生的多種狀況，并考慮計(jì)算求解時(shí)間。將鋰電池產(chǎn)品內(nèi)部各零部件設(shè)置為綁定接觸，鋰電池與緩沖襯墊之間會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的相對(duì)滑動(dòng)，因此產(chǎn)品與襯墊之間選用摩擦接觸。依據(jù)摩擦特性將其大小設(shè)置為0.2，包裝箱與地面之間選用為無(wú)摩擦接觸形式。

1.5 網(wǎng)格劃分

有限元分析的精確性、收斂性及高效性[17]與網(wǎng)格劃分質(zhì)量的優(yōu)劣息息相關(guān)，因此需要嚴(yán)格控制網(wǎng)格質(zhì)量。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)單元一般選用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，由于鋰電池零部件較多，本文主要選用六面體和四面體網(wǎng)格聯(lián)合劃分，保證每個(gè)零部件在厚度方向上至少有2層網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)多次修改后，網(wǎng)格的平均單元質(zhì)量為0.71，總結(jié)點(diǎn)數(shù)為416 001，總網(wǎng)格單元數(shù)為373 214，整體模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

2 包裝件動(dòng)力學(xué)分析

在貨物運(yùn)輸過(guò)程中，通常會(huì)因?yàn)槿斯ぐ徇\(yùn)或是叉舉操作不當(dāng)而使包裝件發(fā)生跌落或碰撞[18]，引起外箱破損導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。選用仿真軟件的顯示動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)包裝件進(jìn)行跌落模擬，分析包裝的性能。主要從鋰電池?zé)o包裝跌落開(kāi)始，到包裝件跌落仿真，對(duì)比觀察2次跌落過(guò)程中應(yīng)力–應(yīng)變情況，找到產(chǎn)品的脆弱部位，并檢驗(yàn)包裝的保護(hù)性和可靠性。

圖2 包裝件模型網(wǎng)格劃分

2.1 對(duì)鋰電池產(chǎn)品進(jìn)行跌落仿真分析

依據(jù)聯(lián)合國(guó)制定的UN38.3可知，鋰電池屬于第9類危險(xiǎn)品[19]，其包裝方案與性能測(cè)試需要按照危險(xiǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。該鋰電池出口到歐洲各個(gè)地區(qū)，因此運(yùn)輸包裝需滿足出口鋰電池運(yùn)輸包裝的相關(guān)法規(guī)要求。依據(jù)法規(guī)[5]鋰電池包裝件屬于Ⅱ類包裝，跌落高度應(yīng)為1.2 m。根據(jù)GB/T 21599—2008《危險(xiǎn)品包裝跌落試驗(yàn)方法》[20]和國(guó)際安全運(yùn)輸協(xié)會(huì)ISTA–1A標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋰電池裸機(jī)底面進(jìn)行跌落仿真分析。

假設(shè)鋰電池在跌落過(guò)程中只受到重力因素影響，等效于自由落體運(yùn)動(dòng)。為提高計(jì)算效率，則可以采用等效高度為1 mm，等效初速度為4 849.4 mm/s，以垂直于地面的速度向下移動(dòng)。在重力作用下，施加的重力加速度為9 806.6 mm/s2。對(duì)地面施加固定約束[21]，求解時(shí)間設(shè)置為3 ms。求解后查看鋰電池的等效應(yīng)力和總變形量，如圖3所示。

圖3 鋰電池面跌落仿真分析結(jié)果

鋰電池裸機(jī)面跌落仿真分析結(jié)果顯示，產(chǎn)生等效應(yīng)力最大值點(diǎn)位于外殼上蓋凸臺(tái)位置，最大等效應(yīng)力值為346.06 MPa，外殼屈服強(qiáng)度為325 MPa，超過(guò)外殼最大屈服強(qiáng)度，因此外殼在裸機(jī)跌落的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生損壞。電芯的等效應(yīng)力值為43.48 MPa，PCB板上的等效應(yīng)力為42.35 MPa，散熱板的等效應(yīng)力值為54.68 MPa，均小于對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，因此在跌落的過(guò)程中鋰電池內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生一定的損傷，僅需保證產(chǎn)品外殼不發(fā)生損壞。

2.2 對(duì)包裝件進(jìn)行面跌落仿真分析

根據(jù)前文所描述的模擬方法和條件，模擬鋰電池包裝件底面跌落過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析計(jì)算。模擬分析結(jié)果如圖4所示。

包裝件底面跌落仿真分析結(jié)果顯示，各個(gè)部件的最大值均未超過(guò)其對(duì)應(yīng)材料的許用應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生失效。

等效應(yīng)變分析：通過(guò)對(duì)比分析鋰電池裸機(jī)跌落和包裝件跌落分析結(jié)果可知，最大值出現(xiàn)在鋰電池與緩沖包裝先接觸的位置，此處產(chǎn)生的沖擊力最大，襯墊吸收的能量較多。等效應(yīng)變隨時(shí)間變化如圖5所示，在0～1 ms時(shí)襯墊等效應(yīng)變呈直線增長(zhǎng)，并在1.5 ms時(shí)刻達(dá)到第1個(gè)峰值后繼續(xù)持續(xù)增加；在2.75 ms時(shí)刻達(dá)到最大值，達(dá)到最大值后逐漸下降并趨于穩(wěn)定。

查看產(chǎn)品外殼的等效應(yīng)變情況，如圖6所示。在0～0.15 ms時(shí)應(yīng)變未發(fā)生明顯變化；0.15～1.05 ms階段應(yīng)變值逐步增大，并達(dá)到了最大值。達(dá)到最大值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，說(shuō)明包裝件在剛接觸地面時(shí)刻沖擊能量被緩沖材料吸收，因此傳遞到產(chǎn)品上的沖擊能量變小，應(yīng)變延遲。這與實(shí)際跌落工況下的應(yīng)變相吻合，反映出緩沖包裝具有良好的能量吸收性能。在1.05 ms時(shí)刻外殼的變形量達(dá)到了最大值，最大值為1.776×10?5mm，遠(yuǎn)小于鋁合金的許用應(yīng)變。因此，在底面跌落工況下，外殼不會(huì)發(fā)生損壞。

圖4 包裝件面跌落仿真分析結(jié)果

圖5 底面跌落工況下緩沖襯墊等效應(yīng)變情況

圖6 底面跌落工況下電池外殼等效應(yīng)變情況

選用同樣的設(shè)置方法對(duì)鋰電池包裝件的頂面、短側(cè)面以及長(zhǎng)側(cè)面進(jìn)行跌落仿真分析。分析結(jié)果顯示，包裝件的最大等效應(yīng)力值分別為135、140和125 MPa，均小于外殼材料的許用應(yīng)力。最大應(yīng)力應(yīng)變均未超過(guò)產(chǎn)品各部件的最大屈服強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)品產(chǎn)生損傷，因此，外包裝在受到跌落響應(yīng)時(shí)能起到保護(hù)產(chǎn)品性能的作用。

能量曲線變化可以反映出包裝件在跌落過(guò)程中的能量變化情況。根據(jù)圖7的能量曲線可知，0.2 ms之前包裝件處于自由下落過(guò)程，彈性勢(shì)能穩(wěn)步增長(zhǎng)，隨著下落速度的增大，動(dòng)能出現(xiàn)了大幅度增加。包裝件觸地后，緩沖襯墊開(kāi)始?jí)嚎s，勢(shì)能逐步增大，動(dòng)能變小后趨于穩(wěn)定，二者變化互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)能量的動(dòng)態(tài)平衡。在能量守恒分析中，沙漏能一般小于總能量的10%[22]。由圖7可知，包裝件跌落過(guò)程中最大沙漏能為15 J，總能量為190.98 J，沙漏能為總能量的7.85%，因此可驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。

圖7 能量追蹤曲線

2.3 對(duì)包裝件進(jìn)行角跌落仿真分析

等效應(yīng)力分析：等效應(yīng)力曲線如圖8b所示，在0～0.5 ms時(shí)等效應(yīng)力值緩慢增長(zhǎng)；在0.5～1.5 ms時(shí)迅速增大，并在1.5 ms時(shí)達(dá)到最大值46.82 MPa，達(dá)到最大值后逐步減小，并在2.5 ms時(shí)趨于穩(wěn)定。最大值出現(xiàn)在角與地面接觸的位置。由于在沖擊的過(guò)程中產(chǎn)生的作用力全部集中在一點(diǎn)上，所以此處產(chǎn)生的應(yīng)力值最大，與實(shí)際的跌落情況相符合。

圖8 角跌落工況下包裝件等效應(yīng)力情況

變形量分析：等效應(yīng)變曲線如圖9b所示，在0～1.5 ms時(shí)變形量緩慢增加，在1.5～2.0 ms時(shí)變形量增加速度逐漸變快，在2.5 ms時(shí)增長(zhǎng)速率逐步達(dá)到最大值，在2.5～3.0 ms增長(zhǎng)速率逐漸變緩，變形量最大值為9.19 mm。包裝件受到碰撞后沖擊能量首先傳遞到包裝箱上，其次是內(nèi)部緩沖襯墊，最后通過(guò)襯墊傳遞到產(chǎn)品上。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，最大變形量為9.19 mm，未超過(guò)紙箱及緩沖襯墊的最大變形量，說(shuō)明緩沖襯墊能很好地保護(hù)內(nèi)部產(chǎn)品不受損傷。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前文所述的危險(xiǎn)品包裝件跌落標(biāo)準(zhǔn)，本次選用蘇試跌落試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋰電池包裝件的跌落測(cè)試，Lansmont Test Partner 3（簡(jiǎn)稱TP3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來(lái)收集數(shù)據(jù)并分析。TP3能夠在產(chǎn)品跌落過(guò)程中，捕捉到產(chǎn)品加速度的瞬態(tài)變化情況，便于后期對(duì)產(chǎn)品受力情況的分析，試驗(yàn)所用設(shè)備如圖10所示。

試驗(yàn)開(kāi)始前需根據(jù)跌落工況選擇并固定傳感器；試驗(yàn)結(jié)束后利用數(shù)據(jù)處理軟件選取合適時(shí)間階段得到的加速度響應(yīng)曲線，并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖11可以看出，試驗(yàn)和仿真曲線隨時(shí)間變化趨勢(shì)趨于一致，且不同跌落工況下的最大響應(yīng)加速度均小于產(chǎn)品脆值。仿真得到的響應(yīng)加速度峰值為57.3，試驗(yàn)得到的響應(yīng)加速值峰值為62.5，均未超過(guò)產(chǎn)品的許用脆值（70），滿足包裝需求。試驗(yàn)和仿真所得的響應(yīng)加速度曲線未完全重合，最大響應(yīng)加速度之間的誤差為8.32%，在允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明仿真具有可靠性。試驗(yàn)結(jié)束后，包裝件未出現(xiàn)破損，內(nèi)部產(chǎn)品也未發(fā)生破損、凹陷等損傷，說(shuō)明包裝系統(tǒng)具有很好的防護(hù)性能，能滿足產(chǎn)品包裝防護(hù)的需求。

圖9 角跌落工況下包裝件等效應(yīng)力情況

圖10 跌落試驗(yàn)設(shè)備

圖11 試驗(yàn)與仿真加速度響應(yīng)曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

利用三維建模和模擬分析軟件，對(duì)某品牌12 V、288 kC的鋰電池包裝件進(jìn)行有限元仿真分析，主要模擬包裝件在運(yùn)輸過(guò)程中可能發(fā)生因人工搬運(yùn)或是叉舉過(guò)程引起的跌落。分析結(jié)果表明，鋰電池在1.2 m高度下跌落，各零部件均不會(huì)發(fā)生損壞，包裝具有很好的防護(hù)效果。不足的是，本文僅研究跌落工況下的包裝件響應(yīng)情況，其他更多工況下的響應(yīng)情況仍需進(jìn)一步研究。此文主要研究單一瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)可滿足的鋰電池各工況要求，后續(xù)可選用多種緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，為同類型的產(chǎn)品提供更多參考。

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Simulation Analysis on Fall of a Type of Lithium Battery Fully Paper-based Packaging Parts

GONG Gui-fena,b,c, HE Xing-juana,b,c, ZHOU Jian-mina,b,c, ZHANG Mei-qia,b,c

(a. Key Laboratory of Paper Technology and Special Paper Product Development of Shaanxi Province b. China Key Laboratory of Light Industry Paper-based Functional Materials c. National Experimental Teaching Demonstration Center of Light Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

The work aims to verify the protective performance of fully paper-based transport packaging for lithium-ion batteries. Based on the product characteristics, circulation environment, packaging protection and other requirements of lithium-ion batteries, a suitable paper packaging material was selected to obtain an all-paper packaging solution, and simulation analysis software was used to simulate the drop of the packaging parts and obtain their stress and strain data. As a result of the drop simulation, the maximum stress was 346.06 MPa at the top cover tab, which exceeded the maximum permissible stress value of 325 MPa and caused damage to the case. When the lithium battery packaging dropped, the equivalent stress value of the case was 1.211 MPa. The simulated stress values did not exceed the permissible stress of the material and no damage occurred. The conclusion shows that the packaging structure can absorb most of the impact energy during transport. It can protect the internal product well from damage and has good protective properties.

carbon neutral; lithium battery; drop simulation

TB482.2

A

1001-3563(2023)13-0277-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.033

2023?01?13

國(guó)家自然科學(xué)基金（51575327）；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及基地項(xiàng)目（16JS014）；陜西省教育廳2014陜西本科高校專業(yè)綜合改革試點(diǎn)子項(xiàng)目（陜教高[2014]16號(hào)）

鞏桂芬（1974—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榫彌_包裝動(dòng)力學(xué)、運(yùn)輸包裝和包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋