電池包用5083鋁合金斷裂失效研究

目前，對(duì)于5XXX系鋁合金斷裂行為的研究較少，尤其關(guān)于新能源汽車電池包用鋁合金材料特性缺乏相關(guān)研究。因此，本文以電池包側(cè)護(hù)板材料5083鋁合金為研究對(duì)象，通過材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂試驗(yàn)，獲得材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)和斷裂失效應(yīng)變參數(shù)。基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DigitalImageCorrelation,DIC）得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及MMC斷裂準(zhǔn)則和GISSMO累計(jì)損傷模型，采用反向標(biāo)定法標(biāo)定斷裂準(zhǔn)則參數(shù)，并通過三點(diǎn)彎試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)穿孔試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 材料試驗(yàn)

1.1 概述

試驗(yàn)采用厚度為1.5mm的5083鋁合金板材，分別通過拉伸試驗(yàn)與斷裂試驗(yàn)獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和斷裂性能。拉伸試驗(yàn)應(yīng)變率分別為0.001、1、10、100、500s-1；斷裂試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)單軸拉伸、缺口R5拉伸、缺口R20拉伸、中心孔拉伸、剪切、拉剪以及杯突試樣。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每種工況進(jìn)行3次以上試驗(yàn)，確保在每個(gè)工況下都能得到3條重合度較高的曲線。

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

分別設(shè)計(jì)準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)拉伸試樣，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)（應(yīng)變速率為0.001s-1）參考《金屬材料高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)第2部分：液壓伺服型與其他類型試驗(yàn)系統(tǒng)》（GB/T228.1－2010）方法A進(jìn)行，試樣尺寸如圖1所示，試驗(yàn)過程中采用全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)獲取試樣變形位置的應(yīng)變。高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（應(yīng)變速率為1、10、100、500s-1）參考《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T30069.2－2016）[8]進(jìn)行，試樣尺寸如圖2所示，采用DIC非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行試驗(yàn)，為減小應(yīng)變率100s-1和500s-1拉伸試驗(yàn)造成的振蕩，采用在樣件上粘貼應(yīng)變片的方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后通過GOMCorrelateProfessional2020軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集器采集的圖片和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.3 斷裂試驗(yàn)

研究表明，金屬材料韌性斷裂失效是由加載力和微觀粒子的聯(lián)合導(dǎo)致的，其斷裂行為與材料的受力狀態(tài)具有一定的相關(guān)性。由于汽車零部件材料在碰撞過程中的應(yīng)力受力狀態(tài)非常復(fù)雜，因此，需設(shè)計(jì)多種受不同應(yīng)力狀態(tài)的試樣以及不同工況的試驗(yàn)，獲得材料的斷裂性能。

為研究材料的斷裂失效特征，本研究設(shè)計(jì)了表征材料六種不同應(yīng)力狀態(tài)的斷裂試樣，包括單軸拉伸、缺口R5拉伸、缺口R20拉伸、中心孔拉伸、剪切、拉剪和杯突試樣，試樣尺寸如圖3所示。以上斷裂試驗(yàn)速度均為2mm/min，采用全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)獲取試驗(yàn)過程中試樣變形位置的應(yīng)變。

2 本構(gòu)方程建立

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)不同應(yīng)變速率下的單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果，選取重復(fù)度較高、振蕩較小的試驗(yàn)曲線，得到如圖4所示的材料拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5083鋁合金在單向拉伸時(shí)出現(xiàn)了與應(yīng)變率效應(yīng)不同的現(xiàn)象，即隨著應(yīng)變率的增加，材料的屈服應(yīng)力未出現(xiàn)明顯的直線增加或減小，如表1所示。同時(shí)可觀察到在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了非常明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即材料的塑性流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，這是典型的面心立方結(jié)構(gòu)金屬特征。

通過在中高應(yīng)變率（1、10、100、500s-1）下進(jìn)行的單向拉伸性能曲線可知（見圖4），隨著應(yīng)變率的增加，材料的抗拉強(qiáng)度增加幅度較小，即5083鋁合金具有對(duì)應(yīng)變速率效應(yīng)不敏感。隨著應(yīng)變速率的增加，鋁合金中多個(gè)滑移系的運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，這導(dǎo)致了材料塑性變形能力變強(qiáng)；同時(shí)鋁合金中的位錯(cuò)密度會(huì)變大，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生的力增大，材料抵抗變形的能力隨之變強(qiáng)，由此導(dǎo)致材料的抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的升高而增大。但是，由于5083鋁合金基體的位錯(cuò)密度不會(huì)在變形中迅速的增加，因此，其抗拉強(qiáng)度不會(huì)隨著應(yīng)變速率的增加而發(fā)生大幅度的增加。

2.2 力學(xué)性能本構(gòu)模型建立

本研究中本構(gòu)模型采用*MAT_24材料。在本構(gòu)模型開發(fā)中，需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先，采用式（1）、式（2）將不同應(yīng)變率加載條件下得到的單向拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。之后，采用式（3）可獲得各應(yīng)變率條件下的真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線。

真實(shí)應(yīng)變計(jì)算公式如下：

式中，?T為真實(shí)應(yīng)變；?E為工程應(yīng)變。

真實(shí)應(yīng)力計(jì)算公式如下：

塑性應(yīng)變計(jì)算公式如下：

式中，?P為塑性應(yīng)變；E為彈性模量。

為了滿足仿真分析中材料大變形行為的表征，而頸縮點(diǎn)后材料的真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線無(wú)法通過試驗(yàn)直接測(cè)試獲得，因此，需要根據(jù)材料的性能曲線選取合適的準(zhǔn)則進(jìn)行表征，并對(duì)頸縮后的力學(xué)行為外推。在本研究中經(jīng)過多個(gè)準(zhǔn)則擬合篩選后，選擇采用Swift-Hockett-Sherby硬化準(zhǔn)則[10]擬合材料曲線和外沿處理，該模型具有飽和型硬化模型與非飽和型硬化模型的優(yōu)點(diǎn)，可以更加精準(zhǔn)地描述材料的硬化行為，混合S-H-S硬化模型如下：

（4）式中，σ為Swift模型在混合S-H-S模型中的權(quán)重系數(shù)；?pl為去除彈性段數(shù)據(jù)后的塑性應(yīng)變值；σi為材料的屈服強(qiáng)度；C、?0、m、K、σsat、α和p

為參數(shù)。

本研究中采用自主研發(fā)的車用材料性能研發(fā)工具系統(tǒng)軟件對(duì)試驗(yàn)材料5083鋁合金的動(dòng)態(tài)拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合外延，軟件中集成了S-H-S模型、Ludwik模型、J-C模型等多種材料模型并且可以對(duì)材料的類型進(jìn)行選擇。將試驗(yàn)得到的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線導(dǎo)入到車用材料性能研發(fā)工具系統(tǒng)中，選擇材料類型鋁合金和擬合函數(shù)S-H-S就可以得到各個(gè)應(yīng)變速率下擬合外延的曲線。

在LS-DYNA中以準(zhǔn)靜態(tài)和應(yīng)變率500s-1的單軸拉伸試驗(yàn)為研究對(duì)象，網(wǎng)格尺寸采用2.0mm，將擬合得到的外推曲線導(dǎo)入材料模型中進(jìn)行計(jì)算，并通過對(duì)硬化準(zhǔn)則方程參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，最終得到可以較好的預(yù)測(cè)5083鋁合金力學(xué)強(qiáng)度性能的模型，*MAT_24中各參數(shù)如表2所示，其中材料應(yīng)力應(yīng)變加載曲線采取輸入擬合曲線。計(jì)算結(jié)果如圖5所示，仿真得到的力學(xué)曲線與試驗(yàn)曲線吻合度較高，驗(yàn)證了優(yōu)化的S-H-S準(zhǔn)則可較好的預(yù)測(cè)鋁合金的塑性力學(xué)行為。

2.3 斷裂失效模型建立

MMC斷裂失效準(zhǔn)則是一種唯象的斷裂模型，同時(shí)考慮了應(yīng)力三軸度及歸一化洛德角參數(shù)對(duì)斷裂失效的影響。應(yīng)力三軸度是靜水壓力與Mises等效應(yīng)力的比值，其計(jì)算公式如下：

式中，p為靜水壓力；σ為Mises等效應(yīng)力；σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力空間中的3個(gè)主應(yīng)力值，并且σ1＞σ2＞σ3。

式中，θ為洛德角；θ為歸一化洛德角系數(shù)；J2、J3分別為第二、三偏應(yīng)力張量不變量。

MMC斷裂準(zhǔn)則公式如下：

式中，K、C、CS、f、n為系數(shù)。

根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果可得材料在不同工況下的應(yīng)力三軸度和洛德角參數(shù)，基于此可建立失效模型。然而，材料在試驗(yàn)過程中，其斷裂損傷區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)不是恒定不變的，因此，一般采用損傷累積公式來判定失效（見式（11））。其中，由損傷積累因子D判斷材料斷裂與否，當(dāng)D=1時(shí)，單元發(fā)生失效，被刪除，材料出現(xiàn)裂紋。

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心自主研發(fā)的失效參數(shù)擬合系統(tǒng)V1.0可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MMC模型的擬合，只需將應(yīng)力三軸度、洛德角系數(shù)和等效斷裂應(yīng)變值輸入軟件中，即可一鍵得到材料的失效曲面或失效曲線。

基于非接觸應(yīng)變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果，可讀取材料斷裂位置的等效塑性應(yīng)變最大值，將此值作為本次研究的初始臨界等效失效應(yīng)變。根據(jù)1.3章節(jié)設(shè)計(jì)的不同斷裂試驗(yàn)，建立不同工況的有限元模型，通過仿真分析提取主要應(yīng)變單元在變形過程中的平均應(yīng)力三軸度和歸一化洛德角參數(shù)。將DIC提取的試驗(yàn)的臨界等效斷裂應(yīng)變值和LS-DYNA得到的主要應(yīng)變單元在斷裂過程中的平均應(yīng)力三軸度和歸一化洛德角系數(shù)輸入失效參數(shù)擬合系統(tǒng)V1.0中得到5083鋁合金材料的失效曲線，采用LS-OPT對(duì)參數(shù)進(jìn)行反求優(yōu)化多次迭代，可擬合得到優(yōu)化的MMC模型參數(shù)，圖6中所示包括擬合優(yōu)化得到的MMC斷裂面和平面應(yīng)力狀態(tài)下的失效曲線。

將擬合優(yōu)化得到MMC斷裂參數(shù)輸入模型中，對(duì)六種不同斷裂試驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到載荷-位移曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，如圖7所示，結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好。

在安全仿真分析中，除了需要滿足仿真與試驗(yàn)的力學(xué)性能吻合性較高外，材料的變形方式也是值得重點(diǎn)關(guān)注的，因此，需要關(guān)注材料級(jí)別的仿真與試驗(yàn)變形行為的吻合性。通過DIC分析得到材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下臨界斷裂時(shí)刻的等效應(yīng)變?cè)茍D，并與仿真分析中各個(gè)工況下材料在臨界斷裂時(shí)刻的等效應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示，可發(fā)現(xiàn)二者在材料的大變形失效區(qū)域基本保持一致。

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證MMC斷裂模型的準(zhǔn)確性，對(duì)材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)穿孔試驗(yàn)。試驗(yàn)中，加載速度為1m/s。根據(jù)試驗(yàn)工況，建立5083鋁合金三點(diǎn)彎曲和動(dòng)態(tài)穿孔有限元仿真模型。將上文建立的MMC模型參數(shù)輸入有限元模型中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)仿真分析結(jié)果讀取載荷-位移曲線，將其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，如圖9所示，結(jié)果表明吻合性較好。這說明，本文建立的斷裂模型可較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)5083鋁合金的失效，為后續(xù)電池包和整車的安全仿真分析奠定了堅(jiān)實(shí)的材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1）通過不同應(yīng)變率的單向拉伸試驗(yàn)得到，在應(yīng)變率500s-1以下時(shí)，5083鋁合金具有較低的應(yīng)變率敏感性；

2）本文建立了5083鋁合金本構(gòu)模型，通過對(duì)比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，二者吻合度較高，表明SHS硬化準(zhǔn)則可較好預(yù)測(cè)5083鋁合金的塑性流動(dòng)力學(xué)行為；

3）本文建立了5083鋁合金斷裂失效表征的MMC模型，仿真應(yīng)變?cè)茍D與試驗(yàn)結(jié)果相似，曲線與試驗(yàn)結(jié)果重合度高，表明本文建立的斷裂模型精度較高，后續(xù)可用于電池包和整車的碰撞安全仿真分析。

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