基于內聚力模型的動力電池膠粘連接仿真研究

孫啟坤　王鵬　李良　馮富春　張新意　黃榮

摘 要：針對動力電池中的膠粘連接，本文開展電池包用結構膠粘接對接接頭和拉伸剪切接頭的力學性能測試，獲取了基于內聚力模型的膠粘界面力學性能參數，并將其應用于電池包準靜態擠壓分析中，仿真預測擠壓過程中結構膠的開裂失效和整包的機械安全性能。對動力電池包開展擠壓試驗，實測結果與仿真結果基本相符，未發生安全問題。基于內聚力模型模擬結構膠開裂失效，可以為電池包結構高集成和輕量化設計提供技術支撐。

關鍵詞：膠粘連接 內聚力模型 動力電池 結構仿真 擠壓試驗

1 前言

動力電池是純電動汽車的儲能裝置和動力來源，占整車重量比例較大。為提升電池包的能量密度，緩解續航焦慮，需要對電池進行高集成、輕量化設計。近年來針對動力電池的新結構、新材料、新工藝技術持續涌現，其中包括了結構膠的廣泛應用。結構膠在電池包中可用于電芯粘接、箱體粘接、液冷板粘接等，通過與被連接界面之間的物理、化學作用將材料粘接在一起。

膠粘界面的力學性能與金屬材料不同，不能直接將金屬材料強度評定準則應用于膠粘連接。為了保證動力電池機械安全性能評價的準確性，針對電池包中的膠粘連接，有必要開展仿真方法研究。在目前的膠粘連接仿真研究中，趙寧[1]采用內聚力模型仿真分析了鋁管膠接接頭的強度，評價膠接接頭的承載能力；邵宇吉[2]基于內聚力模型，開展了車用結構膠粘接接頭強度仿真，分析了粘接接頭的應力分布規律；盧志國[3]建立鋼板搭接接頭的三維有限元模型，研究了膠層尺寸對承載能力的影響，分析膠層尺寸對應力分布影響；周奧[4]試驗測試了鋼鋁混合粘接接頭的強度，使用內聚力模型進行數值模擬，驗證了模型有效性。

本文基于內聚力模型，通過試驗和仿真相結合，研究電池包用結構膠粘接對接接頭和拉伸剪切接頭的力學性能，以獲取膠粘界面內聚力模型參數，并應用于動力電池機械安全性能分析中。

2 內聚力模型簡介

在結構開裂仿真模擬計算當中，內聚力模型得到了廣泛應用，能夠用于模擬裂紋擴展、靜動載荷下材料的蠕變行為、膠粘接頭開裂等領域。內聚力模型能夠描述膠粘劑粘接界面從應力增大到開始發生損傷，直至開裂失效的過程。該模型的本構方程是粘接界面應力和界面相對位移的數學關系。通常將粘接膠層建成一層實體內聚力單元，賦予相應的剛度、界面應力-界面相對位移關系。雙線性內聚力模型應力-位移關系[1]如圖1所示，橫坐標是界面相對位移，縱坐標是內聚力單元應力。在拉伸或剪切載荷作用下，隨著粘接界面相對位移的增加，應力逐漸增大，此上升階段直線斜率是法向和兩個切向的剛度Knn、Kss、Ktt。當應力增大至臨界應力：最大法向應力或兩個最大切向應力、，對應的臨界相對位移為或、時，此時內聚力單元開始發生損傷。隨著界面相對位移繼續擴大，應力逐漸降低，單元逐步失效退化。單元最終斷裂失效時的界面相對位移是：或、。

一般來說結構承受的載荷比較復雜，應力狀態不是單軸，而是多軸復雜應力狀態。在模擬粘接界面的開裂擴展行為時，也要考慮多種開裂模式混合擴展。判斷內聚力單元損傷初始點的規則包括最大應力準則、二次應力準則、最大應變準則、二次應變準則等，其中二次應力準[4]則偏保守，綜合考慮三方向的受力狀態，運用較為廣泛，如方程（1）所示。

（1）

式中，N、S、T分別是內聚力單元法向、兩個切向的應力。

當應力超過臨界應力之后，單元開始損傷。本文采用基于能量的裂紋復合擴展準則，綜合考慮復雜載荷下的失效。ABAQUS中提供了基于能量的BK準則[1]，如方程（2）所示。

（2）

式中：GI、GII、GIII分別是三個方向的斷裂韌性，是內聚力單元在斷裂前所吸收的能量，其中、、；G切向=GII+GIII；η為材料常數；；K是粘接界面的剛度；是混合模式下單元開始發生損傷的臨界位移，是混合模式下內聚力單元完全斷裂時的位移。

在ABAQUS中使用退化指標SDEG衡量內聚力單元的損傷程度[2]，方程為：

（3）

式中是混合模式下內聚力單元實際相對位移。在應力較低，不滿足損傷起始準則之前，SDEG為零。超過臨界位移之后，SDEG逐漸增大，達到失效臨界位移時SDEG為1。此時內聚力單元失效刪除，結構發生開裂。

本文采用二次應力損傷起始準則和基于能量的裂紋混合擴展損傷模式，通過膠粘對接接頭和拉伸剪切接頭力學性能測試，獲取粘接界面的內聚力模型力學性能參數，包括：粘接界面剛度、強度、韌性等。

3 膠粘連接試驗與仿真驗證

3.1 膠粘接頭力學性能試驗

采用市場上某款主流動力電池用結構膠，參照國標[5，6]制備了膠粘對接接頭和拉伸剪切接頭各5個。對接接頭由兩根圓鋁棒（材質：Al3003）對接粘接構成。圓鋁棒直徑15mm，膠層厚度0.5mm。拉伸試驗機夾具夾緊鋁棒兩端，拉伸載荷垂直于粘接面，拉伸直至接頭斷開，記錄拉伸載荷-位移數據。拉伸剪切接頭（材質：Al3003）由兩塊尺寸100mm×25mm×1.6mm的鋁板搭接粘接構成，兩者搭接粘接面尺寸為25mm×12.5 mm，膠層厚度0.5mm。拉伸試驗機夾具夾緊接頭兩端，拉伸載荷平行于粘接面，施加載荷直至接頭斷開，記錄拉伸載荷-位移數據。

通過試驗獲取了5個對接接頭、5個拉伸剪切接頭的拉伸載荷-位移曲線，基于第2節的內聚力模型理論，分別處理后得到剛度、強度、韌性等參數，取平均值如下表1。

3.2 膠粘連接仿真與驗證

根據試驗測試接頭的尺寸，在hypermesh中建立有限元仿真模型，如圖2、圖3所示。采用六面體單元劃分網格，膠層采用一層六面體單元并定義為內聚力單元（cohesive element），賦予表1中的力學性能參數。結構膠單元與鋁棒（鋁板）通過綁定方式連接。模型約束與加載方式與試驗相同。設置輸出場變量包括退化指標（SDEG）、狀態變量（STATUS），以觀測內聚力單元的失效退化進度、控制內聚力單元的存在狀態。

應用ABAQUS求解器對上述仿真模型開展求解，從結果文件中提取了接頭的反力-位移曲線，如圖4、圖5中虛線所示。實線是根據實測拉伸力-位移數據的平均值繪制，可見仿真與實測一致，說明獲取的參數能夠準確反映粘接接頭的力學行為。

以對接接頭拉伸模擬過程為例，如圖6所示為損傷起始時刻的位移、退化進度SDEG、單元狀態STATUS。內聚力單元開始出現損傷，退化進度SDEG為15%，單元存在狀態STATUS為100%，表示單元沒有失效刪除。圖7為臨近斷裂時刻的狀況，此時SDEG升高至95%，單元狀態STATUS仍是100%，但繼續提高載荷會導致內聚力單元破壞并自動刪除。圖8是接頭斷裂，此時內聚力單元完全失效刪除。通過仿真和實測數據對比，可見內聚力模型能夠準確模擬膠粘接頭的界面力學行為，能夠用于動力電池膠粘連接仿真分析。

4 在動力電池仿真中的應用與驗證

以電池包擠壓仿真分析為例，將內聚力模型應用于膠粘連接建模和分析。擠壓測試用于檢驗動力電池在受到擠壓載荷時的安全性能。根據國標[7]要求，采用半徑75mm的半圓柱擠壓板，在擠壓力達到100kN時停止擠壓。某型電池包的液冷板和箱體框架通過結構膠粘接，使用內聚力單元對結構膠進行建模，采用第3節獲取的結構膠仿真力學性能參數。

參照國標進行整包擠壓仿真建模，擠壓頭縱置。擠壓前邊框仿真模型如圖9所示，擠壓后邊框、側邊框時相應轉換擠壓板和剛性墻位置。剛性墻設置為不可變性剛體。電池包的主要材質為：箱體Al6005A-T6、上蓋Al5754-H22、底護板Al6061-T6。選用顯式動力學分析步，應用中心差分法對運動方程進行時間積分。接觸屬性設置為通用接觸，摩擦系數設置為0.2。結構膠采用一層六面體單元建模，設置為內聚力單元，與附近結構通過綁定方式連接。整個模型包括1704330個單元，1756427個節點。分別擠壓動力電池包的前邊框、后邊框、側邊框的薄弱位置。

4.1 擠壓前邊框仿真結果

圖10為擠壓前邊框仿真結果，擠壓力100kN時擠壓量為36.5mm，前邊框受擠壓位置的等效塑性應變超過延伸率，會發生局部材料開裂，但是沒有擠壓到內部電器件和模組。圖9（c）中深藍色為結構膠，在寬度方向有部分單元開裂刪除，但沒有發生貫穿破壞。

4.2 擠壓后邊框仿真結果

圖11為擠壓后邊框仿真結果，擠壓力100kN時擠壓量為28.4mm，擠壓位置的等效塑性應變超過延伸率，會發生局部材料開裂，但沒有擠壓到內部模組，結構膠沒有發生開裂。

4.3 擠壓側邊框仿真結果

圖12為擠壓側邊框仿真結果，擠壓力100kN時擠壓量為28.9mm，側邊框擠壓位置的等效塑性應變超過延伸率，側邊框會發生局部開裂，但沒有擠壓到模組，結構膠沒有開裂。

4.4 動力電池擠壓測試結果

對電池包開展了擠壓測試，實測結果如圖13所示。在三個方向擠壓試驗后，沒有發生冒煙、起火爆炸等現象。對電池包進行開蓋拆解，內部模組和電器件沒有受到擠壓，結構膠沒有發生貫穿開裂現象。測試結果與仿真相符，說明基于內聚力模型能夠有效預測擠壓過程中結構膠的開裂失效和整包的機械安全性能。

5 結論

1）通過膠粘對接接頭和拉伸剪切接頭的力學試驗，基于內聚力模型，能夠獲取準確的膠粘界面力學性能參數，可用于動力電池膠粘連接仿真建模和分析。

2）開展動力電池擠壓仿真和測試，驗證了內聚力模型在電池結構仿真中的可行性，能夠提高電池包機械安全性能評估的準確度，可以支持動力電池高集成、輕量化設計。

參考文獻：

[1]趙寧，歐陽海彬，戴建京，等. 內聚力模型在結構膠接強度分析中的應用[J]. 現代制造工程，2009（11）：5.

[2]邵宇吉. 車用結構膠粘接接頭強度研究[D]. 湖南大學.

[3]盧志國，楊紇，林建平. 膠層尺寸對單搭膠接接頭性能的影響研究[J]. 中國膠粘劑，2009，18（5）：3.

[4]周奧.鋼/鋁結構膠連接強度影響因素的試驗和數值模擬研究[D]. 湘潭大學.

[5]GB/T 6329-1996，膠粘劑對接接頭拉伸強度的測定[S].

[6]GB/T 7124-2008，膠粘劑.拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）[S].

[7]GB 38031-2020，電動汽車用動力蓄電池安全要求[S].