CN103065062A - 钠硫电池功能陶瓷管壁厚临界公式的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从钠硫电池功能陶瓷管的直径和壁厚入手,数值模拟了陶瓷管破裂时壁厚随直径的变化曲线,该曲线实际上是陶瓷管是否发生破裂的临界曲线,曲线其左上方为陶瓷管关于壁厚和直径设计的安全区域,右下方为不安全区域,以此为基础,对直径—壁厚临界曲线进行了威布尔分布拟合,得到壁厚临界公式,经验证该拟合方法精度较高,此方法确定的拟合公式大大提高了陶瓷管机械强度关于几何参数优化设计的计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷管安全壁厚研究,特别涉及一种用威布尔分布函数对钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线进行拟合得到壁厚临界公式的确定方法。
背景技术
钠硫电池具有容量大、体积小、寿命长、效率高等优点,在削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出及提高电能质量以及车辆驱动等方面正逐步受到重视。然而,钠硫电池早期失效大多是以功能陶瓷管破裂而告终,导致大量活性钠和硫直接反应,造成电池失效后温度的过升以及腐蚀性多硫化钠的溢出,引起灾难性连锁反应。因此,钠硫电池陶瓷管机械强度指标直接关系到电池的使用寿命和安全可靠性。由薄壁容器受压后应力近似公式可知,陶瓷管直径和壁厚是影响其机械强度关键参数。目前,很多学者对一般陶瓷材料力学性能进行了探索研究,本发明结合国内外陶瓷材料的理论研究和工程背景,从陶瓷管的直径和壁厚入手,对陶瓷管壁厚临界进行确定。
发明内容
本发明是针对钠硫电池失效主要原因为功能陶瓷管破裂的问题,提出了一种钠硫电池功能陶瓷管壁厚临界公式的确定方法,模拟了陶瓷管破裂时壁厚随直径的变化曲线,进一步拟合出陶瓷管壁厚临界公式,为陶瓷管机械强度设计提供了关键的依据。
本发明的技术方案为:一种钠硫电池功能陶瓷管壁厚临界公式的确定方法,具体包括如下步骤:
1)钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线的计算:
A:首先用钠硫电池功能陶瓷管原始几何尺寸对陶瓷管构建实体模型;
B:在不降低钠硫电池功能陶瓷管的应力精度的前提下,根据钠硫电池功能陶瓷管形状及约束情况分成四个部分,根据钠硫电池功能陶瓷管根部固定约束情况,从底部到根部依次增加各部分网格的密度,并对每部分网格收敛性进行了验证;
C:基于ANSYS平台分别对不同直径的钠硫电池功能陶瓷管进行实体建模和网格划分,在钠硫电池功能陶瓷管内壁施加相同压力4.94MPa并保持其最大应力不超过许用应力80MPa的情况下,计算不同直径对应的临界壁厚,得到钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线,该曲线左上方为陶瓷管关于壁厚和直径设计的安全区域,右下方为不安全区域;
2)用威布尔分布拟合陶瓷管直径—壁厚临界曲线:
Ⅱ:用威布尔两参数的最小二乘法估计得:
Ⅴ:由步骤Ⅲ中右逼近法估计三参数威布尔分布得到及对应的临界壁厚,步骤Ⅳ得到的形状参数和尺度参数,代入Ⅰ中,可确定拟合钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线的威布尔公式,为钠硫电池功能陶瓷管在正常工作情况下直径,钠硫电池功能陶瓷管的临界壁厚为:
。
所述钠硫电池功能陶瓷管直径D在36~60mm范围内,临界壁厚h公式为:
本发明的有益效果在于:本发明钠硫电池功能陶瓷管壁厚临界公式的确定方法,此方法确定的拟合公式大大提高了陶瓷管机械强度关于几何参数优化设计的计算效率。
附图说明
图1为本发明钠硫电池功能陶瓷管实体模型图;
图2为本发明钠硫电池功能陶瓷管网格划分分段示意图;
图3为本发明钠硫电池功能陶瓷管网格划分图;
图4为本发明钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线图;
图5为本发明威布尔拟合曲线图。
具体实施方式
钠硫电池功能陶瓷管壁厚临界公式的确定方法,从钠硫电池功能陶瓷管的直径和壁厚入手,数值模拟了陶瓷管破裂时壁厚随直径的变化曲线,该曲线实际上是陶瓷管是否发生破裂的临界曲线,曲线其左上方为陶瓷管关于壁厚和直径设计的安全区域,右下方为不安全区域,为陶瓷管关于机械强度优化设计提供了参考。以此为基础,对直径—壁厚临界曲线进行了威布尔分布拟合,得到壁厚临界公式,经验证该拟合方法精度较高。下面就壁厚临界公式的确定具体阐述。
一、钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线的计算
(1)钠硫电池功能陶瓷管实体建模:
(2)钠硫电池功能陶瓷管网格划分:
在不降低钠硫电池功能陶瓷管的应力精度的前提下,为了达到通过大幅度减少网格单元数提高计算速度的目的,根据钠硫电池功能陶瓷管形状及约束情况现将其分成四个部分,如图2所示。
根据钠硫电池功能陶瓷管根部固定约束情况,依次增加Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ部分网格的密度,并对每部分网格收敛性进行了验证。结果发现,每部分应力随着网格单元数的增加其相对误差逐渐减小,最后的网格划分最大误差不超过0.5%, 满足计算精度要求,其最终划分网格单元为148800个,其有限元网格划分如图3所示。
(3)临界曲线计算:
利用以上实体建模方法及网格划分结果,基于ANSYS平台分别对不同直径的陶瓷管进行实体建模和网格划分,在陶瓷管内壁施加相同压力4.94MPa并保持其最大应力不超过许用应力80MPa的情况下,计算不同直径对应的临界壁厚,如图4所示。该曲线左上方为陶瓷管关于壁厚和直径设计的安全区域,右下方为不安全区域,称之为钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线。
二、用威布尔分布拟合钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线
钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线为陶瓷管的优化设计提供了技术参考,简化了设计过程,提高了计算效率,且威布尔分布含有的参数对各种类型试验数据的拟合能力强,因此本发明拟选用威布尔分布拟合该曲线。由于数值结果表明陶瓷管的临界壁厚随直径的增加呈上升趋势,因此,设临界壁厚随直径变化满足以下三参数威布尔分布,
对式(1)取两次对数得
令
得到线性关系式
(6)
三、威布尔两参数的最小二乘法估计
将数据代入式(3)便可得
(10)
采用右逼近法估计三参数威布尔分布式(1)中的,以便获得最佳的拟合效果。该方法具体描述如下:首先取为参数的初始值,做参数变换,将三参数转化为二参数威布尔分布,用最小二乘法对数据点进行直线拟合,计算出相应的决定系数,然后选取步长,从,,…,,…,(k=1,2, …)开始下降,从右逼近(即),重复上述步骤,求出每次的决定系数;最后,取,通过选择最大的,就可以得到式(2)中的形状参数和尺度参数,进而能够确定临界壁厚随直径变化的威布尔拟合公式。
四、临界壁厚的计算
由右逼近法估计三参数威布尔分布得到及对应的临界壁厚、形状参数和尺度参数,代入式(1),可确定拟合陶瓷管直径—壁厚临界曲线的威布尔公式。若规定为陶瓷管在正常工作情况下直径,在式(1)中,令,整理后即可计算出陶瓷管的临界壁厚为:
表1
(mm) | 36 | 39 | 42 | 45 | 48 | 51 | 54 | 57 | 60 |
(mm) | 2.0000 | 2.1800 | 2.3500 | 2.5300 | 2.7000 | 2.8800 | 3.0500 | 3.2400 | 3.4500 |
(mm) | 2.0000 | 2.1830 | 2.3501 | 2.5188 | 2.6923 | 2.8720 | 3.0590 | 3.2542 | 3.4583 |
相对误差(%) | 0 | 0.1376 | 0.0043 | 0.4427 | 0.2852 | 0.2778 | 0.2951 | 0.4383 | 0.2406 |
结合具体实施步骤2和3所述方法,进行威布尔曲线拟合之后,得到拟合方程式为
根据拟合公式(13)计算的临界壁厚及其误差见表1,其相对误差最大值为0.4383%,平均值为0.2357%,误差较小,说明拟合公式精度很高。
Claims (2)
1.一种钠硫电池功能陶瓷管壁厚临界公式的确定方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
1)钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线的计算:
A:首先用钠硫电池功能陶瓷管原始几何尺寸对陶瓷管构建实体模型;
B:在不降低钠硫电池功能陶瓷管的应力精度的前提下,根据钠硫电池功能陶瓷管形状及约束情况分成四个部分,根据钠硫电池功能陶瓷管根部固定约束情况,从底部到根部依次增加各部分网格的密度,并对每部分网格收敛性进行了验证,以此达到通过大幅度减少网格单元数提高计算速度的目的;
C:基于ANSYS平台分别对不同直径的钠硫电池功能陶瓷管进行实体建模和网格划分,在钠硫电池功能陶瓷管内壁施加相同压力4.94MPa并保持其最大应力不超过许用应力80MPa的情况下,计算不同直径对应的临界壁厚,得到钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线,该曲线左上方为陶瓷管关于壁厚和直径设计的安全区域,右下方为不安全区域;
2)用威布尔分布拟合陶瓷管直径—壁厚临界曲线:
Ⅱ:用威布尔两参数的最小二乘法估计得:
Ⅴ:由步骤Ⅲ中右逼近法估计三参数威布尔分布得到及对应的临界壁厚,步骤Ⅳ得到的形状参数和尺度参数,代入Ⅰ中,可确定拟合钠硫电池功能陶瓷管直径—壁厚临界曲线的威布尔公式,为钠硫电池功能陶瓷管在正常工作情况下直径,钠硫电池功能陶瓷管的临界壁厚为:
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