基于Dynaform 的電池殼充液成形實驗與仿真分析

張維烜，楊家春，李 健，周福鑫

（廣西科技大學 廣西車輛零部件與整車技術重點實驗室，廣西 柳州 545006）

前言

隨著技術的提高發展，利用液壓成形技術代替鍛造、沖壓、焊接等傳統工藝進行生產的現象越發普遍[1-3]，其中液壓成形工藝又包括管材液壓成形工藝與板材液壓成形工藝。本文以沖壓、焊接技術生產的電池外殼為研究對象，其大小為148 mm×60 mm×50 mm，厚度2 mm，如圖1 所示。利用充液拉深成形工藝代替傳統沖壓工藝進行電池殼仿真分析，給電池殼充液拉深工藝的實際應用提供參考。

圖1 沖壓焊接電池外殼

因為傳統沖壓件在成形過程中坯料與凸模剛性接觸，容易出現破裂和起皺等問題[4]，而充液拉深工藝是利用在凹模中充以液體，凸模下行時壓迫液體產生壓力，將板坯壓緊在凸模上，同時由于下壓作用，液體可以從板坯法蘭與凹模之間溢出，減少摩擦阻力，提高板材成形極限，減少起皺、破裂現象出現[5]。其中許多盛、王欣芳等人[6-7]以盒體為目標，進行充液拉深仿真，討論壓邊間隙和凸模圓角半徑對盒形件成形質量的影響。竇鳳樓、梁鵬等人[8-9]對鈑金件充液成形過程中壓邊力、摩擦系數等參數對板件厚度變化的影響規律進行研究。

本文首先借助自行設計的板材充液成形實驗平臺進行實驗，其次利用Dynaform 進行典型板件的仿真，用以驗證有限元模型及仿真方法的正確性，在此基礎上再對電池殼進行充液拉深仿真。

1 典型樣件充液脹形實驗平臺搭建及實驗

根據板材液壓成形原理及參考相關文獻[10]，依據液體作用方式的不同，板材充液成形可分為被動式充液拉成形及主動式充液成形，在典型樣件的充液成形中，其模具深度不大，因此通過被動式充液成形的方式進行實驗，充液成形的實驗平臺及工作原理如圖2 所示，實驗平臺主要由手持液壓泵，高壓軟管，成形模具、節流閥組成。

圖2 充液成形實驗平臺及原理圖

影響板材成形質量的因素包括：液壓壓力P、板材厚度t、壓邊圈壓力F。若液壓壓力過小，則坯料不能完全貼膜，成形高度降低；若液壓壓力過大，板材容易發生破裂。壓邊圈的作用是保證坯料在液壓成形過程中與模具精密貼合，不發生壓力泄漏。所以若壓邊圈壓力過大，坯料與模具之間的摩擦力增大，板材不能向內補料，易導致板材發生破裂；若壓邊圈壓力過小，坯料與模具不能形成密封，油液會發生泄漏。根據相關參考文獻[10]主動式充液成形公式（1）、（2）對液壓壓力及壓邊圈壓力進行估算，求得液壓壓力不大于35 MPa，壓邊圈壓力不小于150 kN。利用自行搭建液壓試驗平臺進行實驗，實驗結果如圖3 所示。因為成形結果為軸對稱圖形，因此取1/4 模型并按圖4 所示測點，測量成形結果壁厚，壁厚分布曲線如圖5 所示。

圖3 板材成形實驗結果

圖4 實驗結果壁厚測量

圖5 實驗結果壁厚分布曲線

其中：P——液壓壓力；σ——坯料所受應力；r——最小曲率半徑；t——坯料厚度；Ff——壓邊圈壓力；S——坯料成形面積；Pseal——壓邊圈壓力與液壓壓力的差值；Sseal——壓邊圈與坯料之間的作用面積；β——安全系數。

2 典型樣件充液成形仿真分析

2.1 AA6061 拉伸測試

選擇AA6061 鋁鎂合金作為典型樣件的成形材料，并根據GB/T228—2002[11]《金屬材料室溫拉伸試驗方法》制備拉伸試樣，借助SANS-CMT6104 萬能材料測試機對試樣進行拉伸測試，得到工程應力—應變曲線，如圖6 所示。根據參考文獻[12]利用公式（3）（4）對工程應力—應變曲線進行擬合，得到真實應力—應變曲線，如圖7 所示，AA6061 鋁鎂合金的力學性能參數如表1 所示。

表1 AA6061 材料力學特性

圖6 AA6061 工程應力—應變曲線

圖7 AA6061 真實應力—應變曲線

式中：σ——真實應力；ε——真實應變；s——工程應力；e——工程應變。

2.2 典型樣件充液成形仿真

將測得的AA6061 鋁鎂合金力學性能參數導入Dynaform中，并根據實驗工況建立典型板材樣件有限元模型，如圖8所示，有限元模型主要包括壓邊圈、板材坯料、凹模三個部分，三者均采用殼單元，壓邊圈與凹模設置為剛體，板材坯料厚度1 mm，查閱相關文獻和資料，將板材坯料與凹模、壓邊圈之間的摩擦因數設為μ=0.05，加壓前，板材坯料與壓邊圈的間隙為1 mm，根據實驗工況，壓邊圈壓力設置為150 kN，液壓壓力設置為35 MPa。仿真結果如圖9 所示，最小壁厚出現在最小曲率半徑處，為0.851 mm，減薄率為14.9%，取與實驗結果相同的測點進行對比，測量結果如表2 所示，壁厚分布曲線如圖10 所示。仿真與實驗壁厚的最大誤差為6.5%，因此證明基于Dynaform 軟件的有限元模型及仿真方法的正確性。

表2 仿真與實驗壁厚對比

圖8 有限元模型

圖9 液壓仿真結果

圖10 板材壁厚對比

3 電池殼液壓成形仿真分析

某新能源汽車的單塊電池尺寸為148 mm×60 mm×50 mm，由于該電池縱向深度較大，若采用傳統沖壓成形，成形過程中，板材坯料與凹模之間為剛性接觸，摩擦力較大。當壓邊圈壓力較小時，坯料可以向內流動，此時坯料所受拉應力較小，但擠壓應力較大，板材容易發生起皺；若壓邊圈應力過大，坯料不能及時向內流動補料，所受拉應力超過抗拉極限，則會發生破裂。所以若要實現零件不發生起皺以及破裂，則需至少3 次傳統沖壓成形工序。相對于剛性拉深，借助充液拉深工藝進行液壓成形，可以降低坯料與模具之間的摩擦，降低減薄率，根本原因在于利用高壓油液代替傳統剛性凸模，將剛性接觸轉為柔性接觸，摩擦力較小，坯料減薄率降低。同時，充液拉深成形過程中凹模與板料下表面之間產生流體潤滑，從而大大提高零件的成形性能與表面質量。本文通過典型板材樣件的仿真與實驗對比，證明利用Dynaform 進行液壓成形仿真的正確性，在此基礎上，根據某電動汽車單塊電池實際尺寸，建立有限元模型，并估算出需要270 mm×200 mm×2 mm 的AA6061 鋁鎂合金坯料進行成形，模型如圖11 所示。

圖11 電池殼有限元模型

3.1 壓邊圈壓力對成形質量的影響

根據公式（2）計算出壓邊圈壓力不小于125 kN。在液壓壓力相同的情況下，討論125 kN、150 kN、175 kN、200 kN 4 種不同壓邊圈壓力條件下板材壁厚變化，圖12 為四種壓力下的仿真結果，從圖中可以看出，壓邊圈壓力從125 kN 增加到150 kN 階段，此時壓邊圈壓力過小，坯料與凹模之間存在空隙，隨著液壓壓力的逐漸增大，壓邊圈不能壓緊板材，板材過度向凹模內補料，板材發生起皺現象；從150 kN 增加至175 kN，此階段板材最小壁厚變化平穩；從175 kN 增加至200 kN 時，此階段壓邊圈壓力過大，導致坯料與凹模之間摩擦力增大，隨著液壓壓力的增加，板材不能及時向凹模內補料，導致在凹模倒圓角處，坯料所受拉應力過大，減薄嚴重。對比發現板材在壓邊圈壓力為175 kN 下成形質量最好，最小壁厚為1.15，減薄率35%。

圖12 不同壓邊圈壓力仿真結果

3.2 成形壓力對成形質量的影響

根據參考文獻[10]由于電池殼成形深度較大，所以采用充液拉深的方式進行電池殼的充液成形，充液拉深的成形原理如圖13 所示，公式（5）～（7）對最大所需液壓壓力進行估算。

圖13 充液拉深原理圖

其中：設Fi為板材成形壓力；Fj為板材成形時凸模拉深板材的拉深力；Fk為板材抵抗液室的壓力；Fg為液室壓力；k為安全系數，根據坯料的相對厚度和法蘭相對直徑決定，此處k=0.38；l為變形橫截面周邊的長度；t為坯料厚度；Rm為坯料抗拉強度。

根據公式估算出成形壓力不大于50 MPa，在壓邊圈壓力設為175 kN 條件下，分別取 5、10、15、20、25、30、35、40、45、47、50 MPa 等11 種液壓壓力進行仿真，加載路徑如圖14 所示。圖15 為液壓壓力對板材最小厚度的影響曲線，隨著液壓壓力的升高，板坯受到朝凹模方向的下壓力，使板坯逐漸貼模，板坯厚度隨著壓力上升而減少，當液壓壓力增加至45 MPa 時，最小壁厚為0.82 mm，壓力增大至47 MPa，最小壁厚仍為0.82 mm，壓力繼續增加至50 MPa，最小壁厚未發生變化，說明45 MPa 時，板坯完全貼模，壓力增大不影響電池殼厚度變化。

圖14 不同液壓加載路徑

圖15 不同壓力最小壁厚

4 結論

（1）本文借助自行搭建的液壓成形實驗平臺及非線性有限元軟件Dynaform 進行成形實驗及仿真，對比二者結果發現，壁厚差值0.065 mm，證明典型板材樣件有限元模型及仿真方法的正確性。

（2）此階段壓邊圈壓力過小，坯料與凹模之間存在空隙，隨著液壓壓力的逐漸增大，壓邊圈不能壓緊板材，板材過度向內補料，發生起皺現象；壓邊圈壓力過大，坯料與凹模之間摩擦力增大，不能及時補料，因此在凹模倒圓角處，坯料所受拉應力過大，減薄嚴重。壓邊圈壓力在175 kN 條件下，電池殼成形質量最佳。

（3）液壓壓力升高，板材受到朝凹模方向的壓力，使坯料逐漸貼模，板材厚度隨著壓力上升而減少，當液壓壓力增加至45 MPa 時，最小壁厚為0.82 mm，壓力繼續增大并取47 MPa、50 MPa 下的仿真結果進行分析，發現兩種壓力下的最小壁厚都為0.82 mm，說明45 MPa 時板材已經完全貼膜，繼續加壓，厚度不再變化。