利用有限元技術對動力電池包進行仿真分析主要可以做以下方面的工作：

（1）電池組熱管理，可以建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎上分析散熱效果并對不同方案進行對比和優化，取代了試驗方法，大大提高了設計效率；

           

（2）電池的機械性能分析，仿真模擬沖擊、碰撞，碾壓，針刺對電池的影響；

（3）電池的電性能分析，可研究過充/過放，大電流，充/放，外部短路對電池的影響，也可研究匯流排、動力電纜的大電流發熱和溫升情況；

（4）電池的結構力學分析，可研究電池組的振動、耐久性和疲勞壽命。

在機械性能方面，擠壓仿真是動力電池包必須通過的一項嚴苛的測試。本文就擠壓仿真過程中使用的參數、卡片進行歸納總結。限于計算條件有限，僅以小模型驗證仿真思路。

仿真所采用的模型如圖所示，一剛性輥子以0~1000N的斜坡載荷擠壓兩端固定的簡支梁。

所采用的仿真流程為:

網格劃分—建立材料屬性—殼單元屬性—實體單元屬性—接觸—約束—載荷曲線—擠壓力載荷—計算控制卡片—k文件的導出—導入ANSYS計算—后處理。

仿真效果如圖所示。

該案例只能為電池包的擠壓仿真提供思路，并不能代表真實的擠壓仿真。實際上，輥子對電池包的擠壓速度很緩慢，擠壓的過程中可以看成無數個微小時間間隔的靜態過程，因此電池包的擠壓仿真用Abaqus做準靜態仿真更準確。由于水平有限和硬件不足，僅僅以低速碰撞替代準靜態擠壓，為電池包的擠壓仿真探索思路。

在本案例中用到的卡片和關鍵字總結如下。合理的運用這些關鍵字，可以對電池包的機械沖擊、高速碰撞、自由跌落等進行仿真。

1 定義材料

1.1 MAT24號材料

用于定義彈塑性類型的材料，比如鋼、鋁等。通過以下參數定義其材料本構：

Rho—密度；E—楊氏模量；Nu—泊松比；SIGY—屈服強度；ETAN—切線模量；TOEL—刪除網格單元的最小時間步長；C、P應變率系數（用以表征材料發生膨脹、收縮、剪切變形的速率）；LCSS：材料的應力應變曲線；LCSR—不同應變率下的屈服極限曲線；

注意：定義了LCSS應力應變曲線后，SIGY和ETAN參數將被忽略，因為應力應變曲線中可以推算出；

定義了LCSR后，C和P值也將忽略，因為LCSR指定的不同應變率系數曲線需要不同的C和P值去定義；

所以定義材料的兩種方法為：

（1）通過LCSS輸入材料真實的應變曲線；

（2）設定應變率系數C和P值。

1.2 MAT20號材料

是一種不發生變形的剛性材料。通過設定Rho、E、Nu三個參數即可完成設定。

2 定義屬性

2.1 組件關鍵字*PART

每一個組件都是一個PART，如下圖所示。

其中，EOSID為材料*EOS關鍵字的狀態方程；

HGID：對該組件的沙漏控制，引用一個類型為HourGlass的卡片；

GRAV：重力初始化，0—所有部件的初始化；1—僅對當前部件初始化；

ADPOPT:網格自適應，0—無網格自適應；1—3D網格自適應；2—2D和3D網格均自適應；

TMID：*MAT_THEMAL定義的熱力學屬性。

2.2 殼單元關鍵字*Section_shell

該卡片主要用于定義殼單元的屬性，比如厚度、積分算法等。

ELFORM：求解的積分算法；2—單點積分算法，計算快，不能精確的處理翹曲，不能在較粗的網格中使用；

SHRF：剪切因子，默認為1，推薦使用5/6。

T1、T2、T3、T4：四個節點處網格的厚度，往往定義T1就可以，T2、T3、T4就默認與T1相一致。

說明：對于殼單元，通常只需要修改積分算法ELFORM和厚度，其余的采用默認即可。

2.3 實體單元關鍵字* Section_solid

ELFORM：實體單元類型選型；AET為周圍環境類型選項。對于碰撞、擠壓、沖擊類仿真，采取默認值即可。

2.4 剛性墻

剛性墻的建立有兩種方法，一種是建立墻的殼單元組件，再對組件賦予MAT20號的剛體材料。另一種是通過Analysis面板，建立RWGeometric類型的剛性墻，如下圖所示。

然后點擊geom，通過指定一個節點和通過該節點的法向量的方式，定義剛性墻平面。

3 控制接觸參數

接觸在擠壓、碰撞、沖擊等仿真的直觀重要，面面接觸控制卡片如下圖所示。

其中，SSID用于指定從面；MSID用于指定主面；SPR、MPR控制是否計算并輸出界面力；0—不計算；1—計算，并在RCFORC中輸出。

FS、FD分別指定靜態和動態摩擦系數；

DC：計算摩擦力系數；

VC：粘性摩擦力系數；

VDC：粘性阻尼系數；

PENCHK：初始接觸檢查；0—不檢查；1—檢查；2—開啟檢查，執行接觸的最小對角線搜索；

BT、DT：接觸開始和結束的時間；

SFS、SFM：主面和從面的罰函數系數，默認值為1;

FSF:庫倫摩擦系數；

VSF：粘性摩擦系數。

4 定義初速度

該卡片可用于設置物體碰撞的初速度、物體自由跌落的初速度等。其關鍵字卡片如下圖所示。

其中，NSID用于通過節點集SET的方式為零件或蔽障施加初始速度；

NSIDEX通過節點集方式，指定不包含初速度的節點；

BOXID以BOX集合方式指定初始速度；

IRIGID為1或者-1時，重新導入重心位于BOXID內的剛性體慣量；為2時重新導入所有剛性體慣量；

VX、VY、VZ、VXR、VYR、VZR為分別施加X、Y、Z方向的平動速度和轉動速度，速度的單位為mm/s，通過在速度值前邊施加“-”號表示速度方向與坐標軸相反。

Option選型卡里設置不同SET卡片下的初始速度類型。

*intial_velocity_option

*intial_velocity 用于節點集（set_node_list）

*intial_velocity_generation用于組件集（set_part_list）

*intial_velocity_node(用于單個節點)

5 定義加速度

加速度可以作用于整個模型，也可以作用于單個零部件。加速度的定義通過Loadcols載荷集下的LoadBody卡片創建。如下圖所示。

其中X、Y、Z、RX、RY、RZ分別表示施加X、Y、Z方向的加速度和角加速度；

LCID用于施加用戶自定義的加速度曲線，因此可以用于沖擊分析、或者是隨機振動分析；

SF是加速度曲線的縮放系數，如果將其設為負值，則加速度方向與坐標軸相反。

PART用于指定加速度所施加在的局部零件。激活PART后，如下圖所示。通過PSID選型卡，可以指定施加加速度的零部件。

6 定義擠壓力

其中，NSID用于指定擠壓力的作用點；DOFX用于指定擠壓力施加的方向；LCID用于指定擠壓力曲線；SF為擠壓力的比例因子，值為-1時表示擠壓力的方向與坐標軸正向相反。

7 定義加載曲線

曲線的定義在XYPLOT中，選擇Curve Editor即可創建加載曲線。

8 輸出參數控制

8.1接觸控制（CONTROL_CONTACT）

其中，SLSFAC：接觸剛度，默認為1；

RWPNAL:剛性墻懲罰因子。0—不考慮；1—考慮；一般默認設置為1。

ISLCHK：初始穿透檢查。0和1—不檢查穿透；2：檢查穿透；

SHLTHK：STS（面面接觸）和NTS（點面接觸）中是否考慮殼單元厚度變化的影響；0—不考慮；1—除剛體外考慮；2—全部考慮；

PENOPT：對稱剛度檢查。當主面和從面之間剛度相差較大時，主面和從面之間的接觸力可能相差懸殊，需要用此參數重新分配接觸剛度。0或1—取接觸主面中的最小剛度；2—取主面的剛度值；3—取從面的剛度值；

THKCHG—單面接觸中，是否考慮接觸過程中殼單元厚度的變化。

其余的參數，在整車碰撞、擠壓、機械沖擊仿真中使用較少，采取默認值或者不設置即可。

8.2能量控制（CONTROL_ENERGY）

其中，HGEN為是否計算沙漏能；1—不計算；2—計算；

RWEN為是否計算阻礙耗散能；1—不計算；2—計算；

SLNTEN為是否計算界面滑移能；1—不計算；2—計算；

RYLEN為是否計算Rayleigh能；1—不計算；2計算；

8.3輸出控制（CONTROL_OUTPUT）

OPIFS:0.1;

IKEDIT:100;

IFLUSH:5000;

以上參數采取默認即可。

8.4殼單元控制（CONTROL_SHELL）

其中，WRPANG:控制殼單元的翹曲程度，翹曲度大于此值即告警；默認設為20。

ESORT:自動處理退化的單元，碰撞擠壓過程中四邊形單元退化為三角形單元；默認為1。

IRNXX：單元法線的更新。默認為-1。

ISTUPD:是否考慮單元厚度的變化。0—不考慮；1—考慮；

THEORY：殼單元的計算理論。默認為2。

BWC：默認為2。

MITER：默認為1。

PROJ：默認為0。

8.5實時體單元控制（CONTROL_SOLID）

ESORT：默認為0；

FMATRX：默認為1；

NIPTETS：默認為4；

SWLOCL:默認為2；

8.6計算終止時間控制（CONTROL_TERMINATION）

ENDTI：設置求解的結束時間。

8.7時間步長控制（CONTROL_TIMESTEP）

DTINIT:初始時間長值；

TSSFAC:計算時間步長比例；

ISDO：四節點殼單元的基本計算時間值；

TSLIMT:分配給殼單元最小的時間步長值；

DT2MS：與質量比例結果相關的時間步長值；板殼單元的最大穩定時間步長值計算公式為：

其中，Ls為板殼單元的特征長度；ρ為材料的密度；E為材料的彈性模量。

8.8 沙漏控制

沙漏是在單元發生的零能量變形現象。產生沙漏的單元發生了變形，但是單元中不存在應力和應變。導致沙漏的原因是：顯示積分算法為了縮短計算時間，采用了單點單元縮減積分算法導致的。縮減積分算法是指參與積分的點數比節點數目少。例如以一個一階四邊形單元為離子，有1、2、3、4四個節點，但是僅僅有一個中心的節點P參與積分計算。假設該單元受到彎曲或者剪切載荷，會發生如下圖所示的變形。在這三種變形當中，單元積分點上的主應力和剪應力狀態都相同，因此該單元可以自由的在這三種變形當中轉換，而不需要額外的外力作用，這就是所謂的沙漏的零能量現象，即不需要外力的變形。沙漏只存在于六面體單元和四邊形單元，其他的三角形單元、梁單元、四面體單元不會引發沙漏模式，這是因為這些單元比較“強硬”，不會像四邊形那樣肆意的發生變形。如果采用全積分算法，則不會存在沙漏問題，但是會占據較長的計算時間。

當采用縮減積分的單元算法時，必然會引起沙漏現象，當總的沙漏能小于5%時，才認為計算的結果是可靠的。LS-DYNA中減小沙漏能的方法有：

（1）尺寸均勻的網格

（2）避免將集中力施加在單個節點上，因為這會激發沙漏模式。

（3）調整模型的體積粘性參數，一般LSDYAN會自動設定體積粘性參數，用戶可以通過調整EDBVIS命令來設置該參數；

（4）小位移變形情況，使用EDHGLS增加沙漏系數（HGCO），以增加模型的剛度，抑制沙漏的變形；大位移變形情況時，沙漏系數HGCO超過0.15會造成不穩定；

使用CONTROL_HOURGLASS控制整體的沙漏，如下圖所示。

其中，IHQ為沙漏的控制類型；常用設置有1—LSDYNA默認的標準模型；2—Flanagan-Belytschko積分類型；3—用于實體單元精確的體積積分的Flanagan-Belytschko積分類型；8適用于單元類型為16的全積分算法殼單元；當設置IHQ=8時，單元的翹曲剛度將會被計算，但是這會增加系統25%的計算時間。采取默認設置。

8.9 零部件的沙漏控制

當模型中分別采用實體單元和殼單元混合建模時，有的零部件的沙漏控制可能要嚴苛一些，這就需要對零部件單獨進行沙漏的控制。在Proprty屬性選項卡中建立類型為HourGlass的卡片。

激活HourGlass卡片，如下圖。

其中，IHQ為沙漏的控制類型，共有1~8種類型。默認采用1，LSDYNA的標準算法；8—使用全積分對殼單元進行計算，可以精確的處理翹曲度，但是會增加25%的計算時間。

IQH和QM為全局剛度系數和局部剛度系數，默認為0.1；

IBH為體積粘性類型，默認為0；

Q1為二次體積粘性系數，默認為1.5；可用于減小沙漏；

Q2為線性體積粘性系數，默認為0.06；可用于減小沙漏；

QB和QW為殼單元翹曲和彎曲的沙漏系數，默認與QM相等；

注意：當零部件的沙漏過大時，可以考慮增大整體或者局部的剛度系數來抑制沙漏，剛度系數不能超過0.15；也可以調整Q1和Q2體積粘性系數來減小沙漏。

打開要控制沙漏的組件，激活HGID選項卡，輸出上述所建立的HourGlass卡片。