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LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

發(fā)布日期:
2024-05-21

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LS-DYNA使用同一模型可以同時(shí)求解結構-熱-電等多方面的多物理場(chǎng)問(wèn)題,可以應用在電池的擠壓和針刺方面,可一次性得到結構變形信息、熱信息、電流電壓及SOC剩余載荷等信息。多物理場(chǎng)電池擠壓和針刺采用分布式等效電路模型,可以模擬電池的局部短路,模型中電池電的相關(guān)輸入參數和熱的輸入參數可以與Fluent共用。


本次將介紹LS-DYNA中電池結構分析相關(guān)的推薦材料模型,以及多物理場(chǎng)擠壓、跌落和針刺案例。


LS-DYNA及其在電池行業(yè)應用簡(jiǎn)介


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

除了核心求解器LS-DYNA外,其還提供前后處理工具LS-PrePost,假人模型、壁障模型,輪胎模型,拓撲優(yōu)化軟件LS-TasC,參數優(yōu)化軟件LS-OPT,以及2022年推出的專(zhuān)注于鈑金沖壓成形分析軟件Ansys forming等,均以L(fǎng)S-DYNA為中心進(jìn)行求解。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

LS-OPT可以用于電池結構設計變量的優(yōu)化,如右上案例所示,擠壓邊框時(shí)零件的厚度設計多少合適?在滿(mǎn)足性能指標的同時(shí)(該案例截面力需要滿(mǎn)足≥800000),使它的重量最小,每個(gè)case使用一個(gè)核計算2分鐘提交LS-OPT計算,整個(gè)優(yōu)化工程使用8個(gè)核需2小時(shí),最終減重約為2千克,可幫助工程師減少重復的改參數計算。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


LS-TaSC可應用于沖擊拓撲優(yōu)化 ,NVH,剛度,及多學(xué)科的拓撲優(yōu)化等。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

LS-DYNA擁有廣泛并強大的功能,秉承“一個(gè)程序,一個(gè)模型,一個(gè)許可,多種求解方法”的理念,可為用戶(hù)提供多物理場(chǎng)、多工序、多階段、多尺度等工程問(wèn)題的解決方案。除了廣大用戶(hù)所熟知的顯式求解功能之外,兼具隱式求解功能;以拉格朗日算法為主,兼有ALE和Euler算法;以結構分析為主,兼有熱分析、流體、電磁、流體、結構等多物理場(chǎng)耦合功能。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

LS-DYNA可以應用于鋰電池多物理場(chǎng)仿真,在求解變形的同時(shí),可同步得到電池的電流變化,電壓變化, SOC變化,溫度變化,以及短路的信息等。


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


許多國內知名電池廠(chǎng)商利用LS-DYNA仿真部分標準工況,如擠壓、沖擊、跌落、碰撞,此外還有部分廠(chǎng)商利用LS-DYNA進(jìn)行多次沖擊、電池膨脹、擠壓多物理場(chǎng)等工況分析。


LS-DYNA電池結構相關(guān)建模及新功能

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

我們知道,電芯的建模有兩種方式,精細化建模和均質(zhì)化材料模型。精細化建模就是把每一層都建出來(lái),一個(gè)電芯可能有上百層,活性材料(石墨與MNC)可以使用*MAT_CRUSHABLE_FOAM材料本構,金屬材料或外殼可使用24號*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料本構,隔膜為各向異性材料,可使用*MAT_ANISOTROPIC_VISCOPLASTIC(*MAT_103)號材料本構。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


如無(wú)需對電芯進(jìn)行精細化建模,則可采用均質(zhì)化模型,這里推薦*MAT_MODIFIED_HONEYCOMB(*MAT_126),該本構模型在不同的工況下的結果與實(shí)驗結果吻合度較高。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


在進(jìn)行擠壓邊框分析時(shí),有時(shí)會(huì )出現擠壓失效。部分電池廠(chǎng)商選擇使用GISSMO模型,以考慮不同應力狀態(tài)下的不同的失效應變,同時(shí)還能考慮網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


GISSMO模型需要不同的實(shí)驗來(lái)標定參數,人為的調整參數是較難以實(shí)現,此時(shí)可以使用LS-OPT進(jìn)行材料參數標定,得出的材料參數可促使仿真和實(shí)驗結果的一致性。


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


上圖展示了FAW使用*MAT_187號、*MAT_24塑料材料本構進(jìn)行汽車(chē)大燈和前端框架塑料件沖擊案例,輸入不同應力狀態(tài)下的曲線(xiàn),并使用LS-DYNA進(jìn)行的實(shí)驗與仿真分析對比。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

上圖展示了針對其他非金屬材料的材料本構模型及應用描述。


LS-DYNA在鋰電池多物理場(chǎng)擠壓、針刺上的應用


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

LS-DYNA鋰電池多物理場(chǎng)擠壓分析,推薦采用最新的MPP或R13.0以上版本,需使用MPP double求解器版本,LS-PrePost推薦4.9版本或以上。為確保MPP結果的一致性,需在模型中加入*CONTROL_MPP_IO_LSTC_REDUCE關(guān)鍵字,確保求解核數、求解器版本、模型一致的情況下,得出的結果是一致的。


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

關(guān)鍵字*EM_CONTROL和*EM_CONTROL _TIMESTEP,用以打開(kāi)電求解功能及控制時(shí)間步長(cháng)。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

金屬的電導率隨溫度的變化而變化,LS-DYNA可通過(guò)定義*EOS考慮電導率的特性。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


LS-DYNA可通過(guò)*EM_ISOPOTENTIA定義節點(diǎn)集進(jìn)行等勢體電連接,導體內任意兩點(diǎn)的電勢差都為零,稱(chēng)為等勢體,再利用*EM_ISOPOTENTIAL_CONNECT進(jìn)行等勢體之間的連接。通過(guò)這兩個(gè)關(guān)鍵字可搭建各種各樣復雜的電路。

LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

LS-DYNA除了包含結構的接觸之外,還包含電接觸,上圖展示了導體間的電接觸。上圖中的案例展示了金屬棒掉落觸碰到電芯的正負極之后引起的放電現象,這里既包含了結構接觸,也包含了電接觸(使用*EM_CONTROL_CONTACT關(guān)鍵詞)。


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)

共節點(diǎn)可以讓電流自然的流過(guò),使用*EM_CONTROL_CONTACT關(guān)鍵字可用于滑動(dòng)電接觸,可定義間隙,當實(shí)際間隙小于設計的d0值,電流可以流過(guò)導體。


LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)


在定義接觸之后,*EM_CONTACT_RESISTANCE定義接觸電阻,使用*DEFINE_FUNCTION可編寫(xiě)C語(yǔ)言定義任意的接觸電阻模型。

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