基于Dynaform 的电池壳充液成形实验与仿真分析

张维烜，杨家春，李 健，周福鑫

（广西科技大学 广西车辆零部件与整车技术重点实验室，广西 柳州 545006）

前言

随着技术的提高发展，利用液压成形技术代替锻造、冲压、焊接等传统工艺进行生产的现象越发普遍[1-3]，其中液压成形工艺又包括管材液压成形工艺与板材液压成形工艺。本文以冲压、焊接技术生产的电池外壳为研究对象，其大小为148 mm×60 mm×50 mm，厚度2 mm，如图1 所示。利用充液拉深成形工艺代替传统冲压工艺进行电池壳仿真分析，给电池壳充液拉深工艺的实际应用提供参考。

图1 冲压焊接电池外壳

因为传统冲压件在成形过程中坯料与凸模刚性接触，容易出现破裂和起皱等问题[4]，而充液拉深工艺是利用在凹模中充以液体，凸模下行时压迫液体产生压力，将板坯压紧在凸模上，同时由于下压作用，液体可以从板坯法兰与凹模之间溢出，减少摩擦阻力，提高板材成形极限，减少起皱、破裂现象出现[5]。其中许多盛、王欣芳等人[6-7]以盒体为目标，进行充液拉深仿真，讨论压边间隙和凸模圆角半径对盒形件成形质量的影响。窦凤楼、梁鹏等人[8-9]对钣金件充液成形过程中压边力、摩擦系数等参数对板件厚度变化的影响规律进行研究。

本文首先借助自行设计的板材充液成形实验平台进行实验，其次利用Dynaform 进行典型板件的仿真，用以验证有限元模型及仿真方法的正确性，在此基础上再对电池壳进行充液拉深仿真。

1 典型样件充液胀形实验平台搭建及实验

根据板材液压成形原理及参考相关文献[10]，依据液体作用方式的不同，板材充液成形可分为被动式充液拉成形及主动式充液成形，在典型样件的充液成形中，其模具深度不大，因此通过被动式充液成形的方式进行实验，充液成形的实验平台及工作原理如图2 所示，实验平台主要由手持液压泵，高压软管，成形模具、节流阀组成。

图2 充液成形实验平台及原理图

影响板材成形质量的因素包括：液压压力P、板材厚度t、压边圈压力F。若液压压力过小，则坯料不能完全贴膜，成形高度降低；若液压压力过大，板材容易发生破裂。压边圈的作用是保证坯料在液压成形过程中与模具精密贴合，不发生压力泄漏。所以若压边圈压力过大，坯料与模具之间的摩擦力增大，板材不能向内补料，易导致板材发生破裂；若压边圈压力过小，坯料与模具不能形成密封，油液会发生泄漏。根据相关参考文献[10]主动式充液成形公式（1）、（2）对液压压力及压边圈压力进行估算，求得液压压力不大于35 MPa，压边圈压力不小于150 kN。利用自行搭建液压试验平台进行实验，实验结果如图3 所示。因为成形结果为轴对称图形，因此取1/4 模型并按图4 所示测点，测量成形结果壁厚，壁厚分布曲线如图5 所示。

图3 板材成形实验结果

图4 实验结果壁厚测量

图5 实验结果壁厚分布曲线

其中：P——液压压力；σ——坯料所受应力；r——最小曲率半径；t——坯料厚度；Ff——压边圈压力；S——坯料成形面积；Pseal——压边圈压力与液压压力的差值；Sseal——压边圈与坯料之间的作用面积；β——安全系数。

2 典型样件充液成形仿真分析

2.1 AA6061 拉伸测试

选择AA6061 铝镁合金作为典型样件的成形材料，并根据GB/T228—2002[11]《金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸试样，借助SANS-CMT6104 万能材料测试机对试样进行拉伸测试，得到工程应力—应变曲线，如图6 所示。根据参考文献[12]利用公式（3）（4）对工程应力—应变曲线进行拟合，得到真实应力—应变曲线，如图7 所示，AA6061 铝镁合金的力学性能参数如表1 所示。

表1 AA6061 材料力学特性

图6 AA6061 工程应力—应变曲线

图7 AA6061 真实应力—应变曲线

式中：σ——真实应力；ε——真实应变；s——工程应力；e——工程应变。

2.2 典型样件充液成形仿真

将测得的AA6061 铝镁合金力学性能参数导入Dynaform中，并根据实验工况建立典型板材样件有限元模型，如图8所示，有限元模型主要包括压边圈、板材坯料、凹模三个部分，三者均采用壳单元，压边圈与凹模设置为刚体，板材坯料厚度1 mm，查阅相关文献和资料，将板材坯料与凹模、压边圈之间的摩擦因数设为μ=0.05，加压前，板材坯料与压边圈的间隙为1 mm，根据实验工况，压边圈压力设置为150 kN，液压压力设置为35 MPa。仿真结果如图9 所示，最小壁厚出现在最小曲率半径处，为0.851 mm，减薄率为14.9%，取与实验结果相同的测点进行对比，测量结果如表2 所示，壁厚分布曲线如图10 所示。仿真与实验壁厚的最大误差为6.5%，因此证明基于Dynaform 软件的有限元模型及仿真方法的正确性。

表2 仿真与实验壁厚对比

图8 有限元模型

图9 液压仿真结果

图10 板材壁厚对比

3 电池壳液压成形仿真分析

某新能源汽车的单块电池尺寸为148 mm×60 mm×50 mm，由于该电池纵向深度较大，若采用传统冲压成形，成形过程中，板材坯料与凹模之间为刚性接触，摩擦力较大。当压边圈压力较小时，坯料可以向内流动，此时坯料所受拉应力较小，但挤压应力较大，板材容易发生起皱；若压边圈应力过大，坯料不能及时向内流动补料，所受拉应力超过抗拉极限，则会发生破裂。所以若要实现零件不发生起皱以及破裂，则需至少3 次传统冲压成形工序。相对于刚性拉深，借助充液拉深工艺进行液压成形，可以降低坯料与模具之间的摩擦，降低减薄率，根本原因在于利用高压油液代替传统刚性凸模，将刚性接触转为柔性接触，摩擦力较小，坯料减薄率降低。同时，充液拉深成形过程中凹模与板料下表面之间产生流体润滑，从而大大提高零件的成形性能与表面质量。本文通过典型板材样件的仿真与实验对比，证明利用Dynaform 进行液压成形仿真的正确性，在此基础上，根据某电动汽车单块电池实际尺寸，建立有限元模型，并估算出需要270 mm×200 mm×2 mm 的AA6061 铝镁合金坯料进行成形，模型如图11 所示。

图11 电池壳有限元模型

3.1 压边圈压力对成形质量的影响

根据公式（2）计算出压边圈压力不小于125 kN。在液压压力相同的情况下，讨论125 kN、150 kN、175 kN、200 kN 4 种不同压边圈压力条件下板材壁厚变化，图12 为四种压力下的仿真结果，从图中可以看出，压边圈压力从125 kN 增加到150 kN 阶段，此时压边圈压力过小，坯料与凹模之间存在空隙，随着液压压力的逐渐增大，压边圈不能压紧板材，板材过度向凹模内补料，板材发生起皱现象；从150 kN 增加至175 kN，此阶段板材最小壁厚变化平稳；从175 kN 增加至200 kN 时，此阶段压边圈压力过大，导致坯料与凹模之间摩擦力增大，随着液压压力的增加，板材不能及时向凹模内补料，导致在凹模倒圆角处，坯料所受拉应力过大，减薄严重。对比发现板材在压边圈压力为175 kN 下成形质量最好，最小壁厚为1.15，减薄率35%。

图12 不同压边圈压力仿真结果

3.2 成形压力对成形质量的影响

根据参考文献[10]由于电池壳成形深度较大，所以采用充液拉深的方式进行电池壳的充液成形，充液拉深的成形原理如图13 所示，公式（5）～（7）对最大所需液压压力进行估算。

图13 充液拉深原理图

其中：设Fi为板材成形压力；Fj为板材成形时凸模拉深板材的拉深力；Fk为板材抵抗液室的压力；Fg为液室压力；k为安全系数，根据坯料的相对厚度和法兰相对直径决定，此处k=0.38；l为变形横截面周边的长度；t为坯料厚度；Rm为坯料抗拉强度。

根据公式估算出成形压力不大于50 MPa，在压边圈压力设为175 kN 条件下，分别取 5、10、15、20、25、30、35、40、45、47、50 MPa 等11 种液压压力进行仿真，加载路径如图14 所示。图15 为液压压力对板材最小厚度的影响曲线，随着液压压力的升高，板坯受到朝凹模方向的下压力，使板坯逐渐贴模，板坯厚度随着压力上升而减少，当液压压力增加至45 MPa 时，最小壁厚为0.82 mm，压力增大至47 MPa，最小壁厚仍为0.82 mm，压力继续增加至50 MPa，最小壁厚未发生变化，说明45 MPa 时，板坯完全贴模，压力增大不影响电池壳厚度变化。

图14 不同液压加载路径

图15 不同压力最小壁厚

4 结论

（1）本文借助自行搭建的液压成形实验平台及非线性有限元软件Dynaform 进行成形实验及仿真，对比二者结果发现，壁厚差值0.065 mm，证明典型板材样件有限元模型及仿真方法的正确性。

（2）此阶段压边圈压力过小，坯料与凹模之间存在空隙，随着液压压力的逐渐增大，压边圈不能压紧板材，板材过度向内补料，发生起皱现象；压边圈压力过大，坯料与凹模之间摩擦力增大，不能及时补料，因此在凹模倒圆角处，坯料所受拉应力过大，减薄严重。压边圈压力在175 kN 条件下，电池壳成形质量最佳。

（3）液压压力升高，板材受到朝凹模方向的压力，使坯料逐渐贴模，板材厚度随着压力上升而减少，当液压压力增加至45 MPa 时，最小壁厚为0.82 mm，压力继续增大并取47 MPa、50 MPa 下的仿真结果进行分析，发现两种压力下的最小壁厚都为0.82 mm，说明45 MPa 时板材已经完全贴膜，继续加压，厚度不再变化。