LS-DYNA使用同一模型可以同時(shí)求解結(jié)構(gòu)-熱-電等多方面的多物理場(chǎng)問題，可以應(yīng)用在電池的擠壓和針刺方面，可一次性得到結(jié)構(gòu)變形信息、熱信息、電流電壓及SOC剩余載荷等信息。多物理場(chǎng)電池?cái)D壓和針刺采用分布式等效電路模型，可以模擬電池的局部短路，模型中電池電的相關(guān)輸入?yún)?shù)和熱的輸入?yún)?shù)可以與Fluent共用。
本次將介紹LS-DYNA中電池結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的推薦材料模型，以及多物理場(chǎng)擠壓、跌落和針刺案例。
LS-DYNA及其在電池行業(yè)應(yīng)用簡(jiǎn)介
除了核心求解器LS-DYNA外，其還提供前后處理工具LS-PrePost，假人模型、壁障模型，輪胎模型，拓?fù)鋬?yōu)化軟件LS-TasC，參數(shù)優(yōu)化軟件LS-OPT，以及2022年推出的專注于鈑金沖壓成形分析軟件Ansys forming等，均以LS-DYNA為中心進(jìn)行求解。
LS-OPT可以用于電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化，如右上案例所示，擠壓邊框時(shí)零件的厚度設(shè)計(jì)多少合適？在滿足性能指標(biāo)的同時(shí)（該案例截面力需要滿足≥800000），使它的重量最小，每個(gè)case使用一個(gè)核計(jì)算2分鐘提交LS-OPT計(jì)算，整個(gè)優(yōu)化工程使用8個(gè)核需2小時(shí)，最終減重約為2千克，可幫助工程師減少重復(fù)的改參數(shù)計(jì)算。
LS-TaSC可應(yīng)用于沖擊拓?fù)鋬?yōu)化 ，NVH，剛度，及多學(xué)科的拓?fù)鋬?yōu)化等。
LS-DYNA擁有廣泛并強(qiáng)大的功能，秉承“一個(gè)程序，一個(gè)模型，一個(gè)許可，多種求解方法”的理念，可為用戶提供多物理場(chǎng)、多工序、多階段、多尺度等工程問題的解決方案。除了廣大用戶所熟知的顯式求解功能之外，兼具隱式求解功能；以拉格朗日算法為主，兼有ALE和Euler算法；以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體、電磁、流體、結(jié)構(gòu)等多物理場(chǎng)耦合功能。
LS-DYNA可以應(yīng)用于鋰電池多物理場(chǎng)仿真，在求解變形的同時(shí)，可同步得到電池的電流變化，電壓變化， SOC變化，溫度變化，以及短路的信息等。
許多國(guó)內(nèi)知名電池廠商利用LS-DYNA仿真部分標(biāo)準(zhǔn)工況，如擠壓、沖擊、跌落、碰撞，此外還有部分廠商利用LS-DYNA進(jìn)行多次沖擊、電池膨脹、擠壓多物理場(chǎng)等工況分析。
LS-DYNA電池結(jié)構(gòu)相關(guān)建模及新功能
我們知道，電芯的建模有兩種方式，精細(xì)化建模和均質(zhì)化材料模型。精細(xì)化建模就是把每一層都建出來，一個(gè)電芯可能有上百層，活性材料（石墨與MNC）可以使用*MAT_CRUSHABLE_FOAM材料本構(gòu)，金屬材料或外殼可使用24號(hào)*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料本構(gòu)，隔膜為各向異性材料，可使用*MAT_ANISOTROPIC_VISCOPLASTIC（*MAT_103）號(hào)材料本構(gòu)。
如無需對(duì)電芯進(jìn)行精細(xì)化建模，則可采用均質(zhì)化模型，這里推薦*MAT_MODIFIED_HONEYCOMB（*MAT_126），該本構(gòu)模型在不同的工況下的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。
在進(jìn)行擠壓邊框分析時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)擠壓失效。部分電池廠商選擇使用GISSMO模型，以考慮不同應(yīng)力狀態(tài)下的不同的失效應(yīng)變，同時(shí)還能考慮網(wǎng)格無關(guān)性。
GISSMO模型需要不同的實(shí)驗(yàn)來標(biāo)定參數(shù)，人為的調(diào)整參數(shù)是較難以實(shí)現(xiàn)，此時(shí)可以使用LS-OPT進(jìn)行材料參數(shù)標(biāo)定，得出的材料參數(shù)可促使仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。
上圖展示了FAW使用*MAT_187號(hào)、*MAT_24塑料材料本構(gòu)進(jìn)行汽車大燈和前端框架塑料件沖擊案例，輸入不同應(yīng)力狀態(tài)下的曲線，并使用LS-DYNA進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與仿真分析對(duì)比。
上圖展示了針對(duì)其他非金屬材料的材料本構(gòu)模型及應(yīng)用描述。
LS-DYNA在鋰電池多物理場(chǎng)擠壓、針刺上的應(yīng)用
LS-DYNA鋰電池多物理場(chǎng)擠壓分析，推薦采用最新的MPP或R13.0以上版本，需使用MPP double求解器版本，LS-PrePost推薦4.9版本或以上。為確保MPP結(jié)果的一致性，需在模型中加入*CONTROL_MPP_IO_LSTC_REDUCE關(guān)鍵字，確保求解核數(shù)、求解器版本、模型一致的情況下，得出的結(jié)果是一致的。
關(guān)鍵字*EM_CONTROL和*EM_CONTROL _TIMESTEP，用以打開電求解功能及控制時(shí)間步長(zhǎng)。
金屬的電導(dǎo)率隨溫度的變化而變化，LS-DYNA可通過定義*EOS考慮電導(dǎo)率的特性。
LS-DYNA可通過*EM_ISOPOTENTIA定義節(jié)點(diǎn)集進(jìn)行等勢(shì)體電連接，導(dǎo)體內(nèi)任意兩點(diǎn)的電勢(shì)差都為零，稱為等勢(shì)體，再利用*EM_ISOPOTENTIAL_CONNECT進(jìn)行等勢(shì)體之間的連接。通過這兩個(gè)關(guān)鍵字可搭建各種各樣復(fù)雜的電路。
LS-DYNA除了包含結(jié)構(gòu)的接觸之外，還包含電接觸，上圖展示了導(dǎo)體間的電接觸。上圖中的案例展示了金屬棒掉落觸碰到電芯的正負(fù)極之后引起的放電現(xiàn)象，這里既包含了結(jié)構(gòu)接觸，也包含了電接觸（使用*EM_CONTROL_CONTACT關(guān)鍵詞）。
共節(jié)點(diǎn)可以讓電流自然的流過，使用*EM_CONTROL_CONTACT關(guān)鍵字可用于滑動(dòng)電接觸，可定義間隙，當(dāng)實(shí)際間隙小于設(shè)計(jì)的d0值，電流可以流過導(dǎo)體。
在定義接觸之后，*EM_CONTACT_RESISTANCE定義接觸電阻，使用*DEFINE_FUNCTION可編寫C語言定義任意的接觸電阻模型。相關(guān)閱讀
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