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LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

发布日期:
2024-05-21

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LS-DYNA使用同一模型可以同时求解结构-热-电等多方面的多物理场问题,可以应用在电池的挤压和针刺方面,可一次性得到结构变形信息、热信息、电流电压及SOC剩余载荷等信息。多物理场电池挤压和针刺采用分布式等效电路模型,可以模拟电池的局部短路,模型中电池电的相关输入参数和热的输入参数可以与Fluent共用。


本次将介绍LS-DYNA中电池结构分析相关的推荐材料模型,以及多物理场挤压、跌落和针刺案例。


LS-DYNA及其在电池行业应用简介


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

除了核心求解器LS-DYNA外,其还提供前后处理工具LS-PrePost,假人模型、壁障模型,轮胎模型,拓扑优化软件LS-TasC,参数优化软件LS-OPT,以及2022年推出的专注于钣金冲压成形分析软件Ansys forming等,均以LS-DYNA为中心进行求解。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

LS-OPT可以用于电池结构设计变量的优化,如右上案例所示,挤压边框时零件的厚度设计多少合适?在满足性能指标的同时(该案例截面力需要满足≥800000),使它的重量最小,每个case使用一个核计算2分钟提交LS-OPT计算,整个优化工程使用8个核需2小时,最终减重约为2千克,可帮助工程师减少重复的改参数计算。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


LS-TaSC可应用于冲击拓扑优化 ,NVH,刚度,及多学科的拓扑优化等。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

LS-DYNA拥有广泛并强大的功能,秉承“一个程序,一个模型,一个许可,多种求解方法”的理念,可为用户提供多物理场、多工序、多阶段、多尺度等工程问题的解决方案。除了广大用户所熟知的显式求解功能之外,兼具隐式求解功能;以拉格朗日算法为主,兼有ALE和Euler算法;以结构分析为主,兼有热分析、流体、电磁、流体、结构等多物理场耦合功能。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

LS-DYNA可以应用于锂电池多物理场仿真,在求解变形的同时,可同步得到电池的电流变化,电压变化, SOC变化,温度变化,以及短路的信息等。


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


许多国内知名电池厂商利用LS-DYNA仿真部分标准工况,如挤压、冲击、跌落、碰撞,此外还有部分厂商利用LS-DYNA进行多次冲击、电池膨胀、挤压多物理场等工况分析。


LS-DYNA电池结构相关建模及新功能

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

我们知道,电芯的建模有两种方式,精细化建模和均质化材料模型。精细化建模就是把每一层都建出来,一个电芯可能有上百层,活性材料(石墨与MNC)可以使用*MAT_CRUSHABLE_FOAM材料本构,金属材料或外壳可使用24号*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料本构,隔膜为各向异性材料,可使用*MAT_ANISOTROPIC_VISCOPLASTIC(*MAT_103)号材料本构。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


如无需对电芯进行精细化建模,则可采用均质化模型,这里推荐*MAT_MODIFIED_HONEYCOMB(*MAT_126),该本构模型在不同的工况下的结果与实验结果吻合度较高。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


在进行挤压边框分析时,有时会出现挤压失效。部分电池厂商选择使用GISSMO模型,以考虑不同应力状态下的不同的失效应变,同时还能考虑网格无关性。


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


GISSMO模型需要不同的实验来标定参数,人为的调整参数是较难以实现,此时可以使用LS-OPT进行材料参数标定,得出的材料参数可促使仿真和实验结果的一致性。


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


上图展示了FAW使用*MAT_187号、*MAT_24塑料材料本构进行汽车大灯和前端框架塑料件冲击案例,输入不同应力状态下的曲线,并使用LS-DYNA进行的实验与仿真分析对比。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

上图展示了针对其他非金属材料的材料本构模型及应用描述。


LS-DYNA在锂电池多物理场挤压、针刺上的应用


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

LS-DYNA锂电池多物理场挤压分析,推荐采用最新的MPP或R13.0以上版本,需使用MPP double求解器版本,LS-PrePost推荐4.9版本或以上。为确保MPP结果的一致性,需在模型中加入*CONTROL_MPP_IO_LSTC_REDUCE关键字,确保求解核数、求解器版本、模型一致的情况下,得出的结果是一致的


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

关键字*EM_CONTROL和*EM_CONTROL _TIMESTEP,用以打开电求解功能及控制时间步长。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

金属的电导率随温度的变化而变化,LS-DYNA可通过定义*EOS考虑电导率的特性。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


LS-DYNA可通过*EM_ISOPOTENTIA定义节点集进行等势体电连接,导体内任意两点的电势差都为零,称为等势体,再利用*EM_ISOPOTENTIAL_CONNECT进行等势体之间的连接。通过这两个关键字可搭建各种各样复杂的电路。

LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

LS-DYNA除了包含结构的接触之外,还包含电接触,上图展示了导体间的电接触。上图中的案例展示了金属棒掉落触碰到电芯的正负极之后引起的放电现象,这里既包含了结构接触,也包含了电接触(使用*EM_CONTROL_CONTACT关键词)。


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)

共节点可以让电流自然的流过,使用*EM_CONTROL_CONTACT关键字可用于滑动电接触,可定义间隙,当实际间隙小于设计的d0值,电流可以流过导体。


LS-DYNA电池行业应用介绍(一)


在定义接触之后,*EM_CONTACT_RESISTANCE定义接触电阻,使用*DEFINE_FUNCTION可编写C语言定义任意的接触电阻模型。

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