CN111504782A - 压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，汽车电池多孔结构吸能垫为FDM熔融模型，包括以下步骤：(1)制备FDM熔融模型试样；(2)设定加载总位移和加载速率，进行压缩试验；(3)根据加载力与位移之间的关系，得到压缩应力‑应变曲线；(4)计算试样的弹性模量E；(5)在压缩应力‑应变曲线上选取压缩应变上限值e0和压缩应变上限应力值σ0，并计算吸收能量值w和吸收能量效率we：(6)根据E、w和we的值，判断汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果。与现有技术相比，本发明方法简单，为汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果评估提供了有效的依据，有助于汽车电池多孔结构吸能垫设计。

Description

压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法
技术领域
本发明涉及汽车电池多孔结构吸能垫技术领域，尤其是涉及一种压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法。
背景技术
对于汽车这个钢铁之躯的工业产物，曾经一直被认为是越坚硬越安全的，也因此很多人质疑日系车的安全性，“软”、“不耐撞”这样的字眼会经常用来形容一些日系品牌，但通过E-NCAP、C-NCAP、IIHS等专业的碰撞测试中心让我们了解到，车身结构的溃缩式吸能设计在很大程度上提升碰撞安全性，也就是说合理地“软”才是安全的。那是不是日系品牌开创了碰撞吸能的设计理念呢？
从吸能角度看，车身可分为三部分，乘员舱部分由刚性较强的材料构成，尽可能保证发生碰撞时不会变形，而乘员舱前后两个区域则是可以溃缩变形的缓冲区，用来吸收碰撞时的能量。
对于吸能机构，不仅要“柔”，而且要有一定的“韧劲”如果我们用拳头打墙，墙上垫上了一厘米厚的海绵，一拳下去，手还是生疼；如果垫的是一厘米厚的卫生纸，手就不会那么疼。为什么，因为卫生纸比海绵更韧。泡沫塑料更韧还是防撞钢梁更韧，大家不言自明了。
而反观脆弱的电池防护，也可以参考该理念，我们不仅要让电池具有坚硬的外壳，让电池在碰撞中保持形状，不会过度挤压；而且，为了更有效的防止电池在碰撞中因为刚性冲击所造成的损伤，未来的电池结构可以增设更为柔韧的缓冲结构以提高电池安全性。
而且根据一些研究成果和专利来看，采用高柔韧性的新型封闭贯穿多孔结构可以整合电池冷却，电气等功能，使结构更简单紧凑，对于电池结构轻量化具有重大意义。然而如何对封闭贯穿多孔结构进行测试，评估其“柔韧”指标是亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，所述的汽车电池多孔结构吸能垫为具有多孔重复单元的FDM熔融模型；该方法包括以下步骤：
(1)制备FDM熔融模型试样，该试样在单元重复面上的多孔重复单元周期个数不小于3，并将垂直于单元重复面的方向设为高度方向；
(2)在试样高度方向上对试样进行压缩，设定加载总位移为试样总高度的55-80％；
(3)根据FDM熔融模型试样压缩试验过程中加载力与位移之间的关系，通过计算并对数据处理得到压缩应力值σ与压缩应变值e的压缩应力-应变曲线；
(4)根据应变0.2％的弹性极限标准，计算FDM熔融模型试样的弹性模量E；
(5)在压缩应力-应变曲线上选取压缩应变上限值e0和压缩应变上限应力值σ0，并按照下式(1)和(2)计算吸收能量值w和吸收能量效率we：
Figure BDA0002475768600000021
Figure BDA0002475768600000022
(6)根据弹性模量E、吸收能量值w和吸收能量效率we，判断汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果。
优选地，步骤(1)中，单元重复面上的多孔重复单元周期个数为4～8。对于半周期具有对称特征的，可包含半周期单元(如蜂窝结构，半周期具有镜像对称特征)，考虑到经济型设计和制造，优选单元重复面上的多孔重复单元周期个数为4～8)。
优选地，试样高度为单元重复面等效尺寸的0.4～2.5倍，且不能造成明显的buckling变形的约束条件。兼顾经济性的设计制造，试样高度优选为单元重复面等效尺寸的0.4-2.5倍。等效尺寸可采用两种方法：等效圆面积半径法(接近圆形的曲线边界)πr2＝S(曲线所围的面积)或等效正方形面积边长法S＝a^2，对于长方形，也可直接以最短边的0.4-2.5倍，高度方向平行于上下压头平面，优选的0.4-2.5倍还应收“不能造成明显的buckling变形(厚度方向发生弯曲的瞬时应变达到瞬时压缩应变的5％(瞬时应变定义为d(应变)/dt))”条件约束。
优选地，步骤(2)中，加载速率为3～150mm/min。
本发明中：
吸收能量值w——单位为MJ/m3；
吸收能量效率we——单位以百分数(％)表示；
压缩应力值σ——单位为N/mm2；
压缩应变值e——单位以百分数(％)表示；
压缩应变上限值e0——单位以百分数(％)表示；
压缩应变上限应力值σ0——单位为N/mm2。
一般来说，单位体积或质量的吸收能量值w和吸收能量效率we越大，汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果越好，而弹性模量E和平台应力是分别表征吸能垫的弹性段和变形吸能段的软硬程度。
优选地：
压缩应力值σ为压缩试验过程中施加于试样的实际压缩力F与其原始横截面积S0的比值；
压缩应变值e为载压缩应力作用下，试样受力后的原始标距段变形量ΔL与试样原始标距L0之比的百分率。
优选地，压缩应变上限值e0为50％的压缩应变值或平台结束点应力值σple(单位为N/mm2)。
优选地，平台结束点应力值σple为压缩应力-应变曲线中对应1.3倍平台应力值σpl(单位为N/mm2)的压缩应力值。
优选地，平台应力值σpl在压缩应力-应变曲线上选取，为20％-30％的压缩应变区间的压缩应力平均值。
优选地，FDM熔融模型试样通过打印得到。
优选地，试样的数量不少于3个。优选至少5个。例如可以是6个、10个。
优选地，压缩应力-应变曲线分为三个阶段：初始表现出一个线弹性区，后面接着一个应力近乎恒定的平台区，最后进入一个应力陡然升高区。
与现有技术相比，本发明通过压缩试验得到加载力与位移之间的关系，通过计算并对数据进行处理得到应力-应变曲线，根据曲线找出吸收能量的区域，根据吸收能量的大小，判断其吸能效果，方法简单，为汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果评估提供了有效的依据，有助于汽车电池多孔结构吸能垫设计。
附图说明
图1为实施例1汽车电池多孔结构吸能垫的压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，汽车电池多孔结构吸能垫为具有多孔重复单元的FDM熔融模型，优选通过打印得到。
该方法包括以下步骤：
(1)制备FDM熔融模型试样，尺寸上，在单元重复面上需保证足够的多孔重复单元周期个数(一半需要重复不小于3个周期重复单元，对于半周期具有对称特征的，可包含半周期单元(如蜂窝结构，半周期具有镜像对称特征)，考虑到经济型设计和制造，优选为4-8个单元)，高度方向(也是垂直于单元重复面的方向)尺寸优选为单元重复面等效尺寸的0.4-2.5倍。等效尺寸可采用两种方法：等效圆面积半径法(接近圆形的曲线边界)πr2＝S(曲线所围的面积)或等效正方形面积边长法S＝a^2，对于长方形，也可直接以最短边的0.4-2.5倍，高度方向一般平行于上下压头平面，优选的0.4-2.5倍还应收“不能造成明显的buckling变形(厚度方向发生弯曲的瞬时应变达到瞬时压缩应变的5％(瞬时应变定义为d(应变)/dt))”条件约束。在测试时，压缩方向的尺寸被定义为高度。
更具体地，本实施例中，测试时，矩形试样截面宽度应当至少为10倍的平均空隙直径，且不少于10mm，而且经过对比压缩试验，50×50×20mm大小的试样的吸收能量大小及吸能效率与较大尺寸(50×50×50mm大小的试样)几乎一样，但是由于较大尺寸的试样在打印过程中花费的时间更长，浪费了更多的材料，因此选择试样尺寸为50×50×20mm；
(2)在高度方向上对FDM熔融模型试样进行压缩试验，设定加载总位移设定优选为总高度55-80％，加载速率为3-150mm/min；由于在《GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》中，对电池有挤压要求，挤压速度不大于2mm/s，并根据压缩试验初始应变速率的合理取值范围，选择压缩速度(加载速率)为5mm/min，由于试样高度为50mm，为了使试样充分压缩达到致密，加载总位移为30mm；
(3)根据FDM熔融模型试样压缩试验过程中加载力与位移之间的关系，通过计算并对数据处理得到压缩应力值σ(单位为N/mm2)与压缩应变值e(％)的压缩应力-应变曲线，压缩应力值σ为压缩试验过程中施加于试样的实际压缩力F与其原始横截面积S0的比值，压缩应变值e为载压缩应力作用下，试样受力后的原始标距段变形量ΔL与试样原始标距L0之比的百分率，压缩应力-应变曲线分为三个阶段：初始表现出一个线弹性区，后面接着一个应力近乎恒定的平台区，最后进入一个应力陡然升高区；
(4)根据应变0.2％的弹性极限标准，计算FDM熔融模型试样的弹性模量E；
(5)在压缩应力-应变曲线上选取压缩应变上限值e0(％)和压缩应变上限应力值σ0(单位为N/mm2)，并按照下式(1)和(2)计算吸收能量值w(单位为MJ/m3)和吸收能量效率we(％)：
Figure BDA0002475768600000051
Figure BDA0002475768600000052
(6)根据弹性模量E、吸收能量值w和吸收能量效率we，判断汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果。
一般来说，弹性模量E、吸收能量值w和吸收能量效率we越大，汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果越好。
本实施例中，优选压缩应变上限值e0为50％的压缩应变值或平台结束点应力值σple(单位为N/mm2)。进一步优选平台结束点应力值σple为压缩应力-应变曲线中对应1.3倍平台应力值σpl(单位为N/mm2)的压缩应力值。更进一步优选平台应力值σpl在压缩应力-应变曲线上选取，为20％-30％的压缩应变区间的压缩应力平均值。
本实施例中优选试样的数量不少于3个。优选至少5个。例如可以是6个、10个。
如图1所示，在压缩应力-应变曲线上选取平台应力值σpl，20％压缩应变对应的应力为0.555MPa，30％压缩应变对应的应力为0.626MPa，压缩应力平均值为0.591MPa，即平台应力值σpl为0.591MPa，平台结束点应力值为1.3倍的平台应力值0.768Mpa，相对应的平台结束应变为40.15％，曲线在压缩应变上限值e0处与横坐标围成的面积为0.205，经计算可得吸收能量2.05KJ/m3，吸收效率66.59％。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，所述的汽车电池多孔结构吸能垫为具有多孔重复单元的FDM熔融模型；该方法包括以下步骤：
(1)制备FDM熔融模型试样，该试样在单元重复面上的多孔重复单元周期个数不小于3，并将垂直于单元重复面的方向设为高度方向；
(2)在试样高度方向上对试样进行压缩，设定加载总位移为试样总高度的55-80％；
(3)根据FDM熔融模型试样压缩试验过程中加载力与位移之间的关系，通过计算并对数据处理得到压缩应力值σ与压缩应变值e的压缩应力-应变曲线；
(4)根据应变0.2％的弹性极限标准，计算FDM熔融模型试样的弹性模量E；
(5)在压缩应力-应变曲线上选取压缩应变上限值e0和压缩应变上限应力值σ0，并按照下式(1)和(2)计算吸收能量值w和吸收能量效率we：
Figure FDA0002475768590000011
Figure FDA0002475768590000012
(6)根据弹性模量E、吸收能量值w和吸收能量效率we，判断汽车电池多孔结构吸能垫的吸能效果。
2.根据权利要求1所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，包括以下条件中的任一项或多项：
(a)单元重复面上的多孔重复单元周期个数为4～8；
(b)试样高度为单元重复面等效尺寸的0.4～2.5倍，且不能造成明显的buckling变形的约束条件。
3.根据权利要求1所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，步骤(2)中，加载速率为3～150mm/min。
4.根据权利要求1所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于：
压缩应力值σ为压缩试验过程中施加于试样的实际压缩力F与其原始横截面积S0的比值；
压缩应变值e为载压缩应力作用下，试样受力后的原始标距段变形量ΔL与试样原始标距L0之比的百分率。
5.根据权利要求1所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，压缩应变上限值e0为50％的压缩应变值或平台结束点应力值σple。
6.根据权利要求5所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，平台结束点应力值σple为压缩应力-应变曲线中对应1.3倍平台应力值σpl的压缩应力值。
7.根据权利要求6所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，平台应力值σpl在压缩应力-应变曲线上选取，为20％-30％的压缩应变区间的压缩应力平均值。
8.根据权利要求1所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，FDM熔融模型试样通过打印得到。
9.根据权利要求1所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，试样的数量不少于3个。
10.根据权利要求1所述的压缩试验法评估汽车电池多孔结构吸能垫吸能性能的方法，其特征在于，压缩应力-应变曲线分为三个阶段：初始表现出一个线弹性区，后面接着一个应力近乎恒定的平台区，最后进入一个应力陡然升高区。
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