锂电池钢壳缩口工艺的有限元仿真_陈腾飞.pdf

现代制造技术与装备1582023 年第 3 期总第 316 期锂电池钢壳缩口工艺的有限元仿真陈腾飞1廖声超1朱发强2赵海超3赵鹏博4（1.珠海华冠科技股份有限公司，珠海 519085；2.武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430081；3.燕山大学 电气工程学院，秦皇岛 066004；4.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030000）摘要：钢壳缩口是圆柱锂电池制程中段的一道关键工艺，目标是将入壳工艺后的钢壳缩口，以免内部结构脱出。缩口过程涉及影响因素多，变形过程复杂。文章以有限元仿真为工具，采用隐式求解算法，对钢壳缩口过程进行动力学仿真。完整模拟缩口工艺过程，获得钢壳的变形和回弹，指导夹具的动作时序优化和初始公差设定。确定导杆的受力和变形情况，校验工艺过程中的安全性。仿真结果表明，夹具松弛后，钢壳会有 0.02 mm 的回弹，夹具工作面设置+0.02 +0.04 mm 的公差可抵消部分回弹量。导杆在整个过程中最大受力为2 738 N，无安全风险。该方法将缩口工艺过程可视化，为优化工艺参数提供了重要指导。关键词：钢壳；缩口；有限元；动力学Finite Element Simulation for Steel Cases Shrinking Technic of Lithium BatteryCHEN Tengfei1,LIAO Shengchao1,ZHU Faqiang2,ZHAO Haichao3,ZHAO Pengbo4(1.Zhuhai Higrand Technology Co.,Ltd.,Zhuhai 519085;2.School of Mechanical Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081;3.School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004;4.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030000)Abstract:Steel case s shrinking is an important technic in middle manufacture process of cylindrical lithium battery aiming to shrink the case after insertion technic in case of escape of interior structures.With tool of finite element simulation,implicit solution is adopted to perform dynamic simulation for case s shrinking process.Based on a complete simulation of shrinking technic process,deformation and resilience of the case is acquired so as to guide time-sequence optimization and origin tolerance settings of the fixture.Stress and deformation of the guider-bar is acquired to check the security of the technic process.The simulation result shows a resilience of 0.02 mm for the steel case.A tolerance of+0.02+0.04 mm is recommended to counteract the resilience partially.Max force of the guider-bar during the whole process is 2 738 N and no security risk is found.The proposed method visualizes the shrinking technic process and provides important guidance to optimizations of technic parameters.Keywords:steel case;shrinking;finite element;dynamics锂电池制程复杂，按照工艺目标的不同可分为前段、中段和后段。制程前段主要完成正负极片的制造，中段制程完成电芯的制造，后段进行化成封装1。缩口是圆柱锂电池制程中段的一项重要工艺。卷芯制作完成后，需要将其置入电芯外壳。为提高入壳成功率，通常把外壳内壁的截面积设计得比卷芯大。缩口工艺位于入壳后，主要目的是减小外壳出口处的截面积，使其小于卷芯，避免电芯内部结构脱出。该过程涉及钢壳、夹具和顶盖，涵盖的工艺参数包括速度、偏置、公差等。缩口过程容易发生冲击，变形过程较为复杂，尤其是工艺末段钢壳会发生回弹2-3。缩口过程钢壳各处的应力应均匀而渐变，否则一旦有应力集中，容易影响钢壳的最终形貌，导致可靠性降低4。为提高钢壳缩口工艺的可靠性，锂电行业内的通行做法是反复迭代缩口工艺的机械结构5-6，一般包括凸轮随动器、导杆、缩口夹具和钢壳，如图 1 所示。电机带动凸轮按规划曲线运动，并带动导杆按照预设曲线运动。导杆推动夹具挤压钢壳，使其目标区域变形收缩。这种方法往往需要搭建不同参数组合的实验平台进行工艺实验研究。由于缺乏理论指导，实验进程的快慢和结果的优劣往往取决于实验人员的耐心和实验数据是否充足。实验法的显著问题是研发周期长、成本高，且可继承性不高。一旦电池或钢壳的结构尺寸发生变化或工艺要求变更，整个研究需要从头开始，极大延长了项目周期。另外，实验结果更多以钢壳外观效果呈现，难以可视化、量化呈现钢壳和其他参与部件的应力应变情况和深挖工艺机理，不利于工艺水平的提升。针对钢壳缩口过程中影响因子多、成形过程复杂的问题，拟以有限元仿真为工具，准确模拟整个工艺基金项目：珠海市产学研合作项目“锂离子电池用高速卷绕机关键技术研究”（ZH22017001200112PWC）。DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0168159工 艺 与 装 备过程中钢壳和其他参与部件的变形，输出应力云图，为钢壳缩口的时序和工艺参数优化提供可视化和量化的参考。图 1典型钢壳缩口结构1有限元仿真中的隐式动力学求解有限元法本质上是偏微分方程组边值问题的一种数值求解方法。一切可以用偏微分方程组描述的问题都可以用有限元方法求解。随着计算机算力的迅速提升，有限元法的应用领域逐步从最初的力学拓展到流体力学、电磁学、传热学和声学等领域。无论问题所属领域和复杂程度如何，有限元法的分析过程类似，即包括 3D 建模、网格化、施加载荷与边界、求解以及后处理 5 个步骤7-8。不同类型的有限元仿真所求解的微分方程并不相同。以最常见的静力学仿真为例，仿真过程所求解的是广义胡克定律。钢壳缩口过程中，部件之间有相对运动过程，属于动力学仿真。为实施有限元仿真，需要将模型离散化，形成多自由度体系。通用的运动学方程为 +=MuCuKuF?（1）式中：M 为质量矩阵；C 为阻尼矩阵；K 为刚度矩阵；F 为载荷矩阵，u、u?、+=MuCuKuF?分别为位移、速度和加速度矩阵。求解该方程主要有 Newmark算法和中心差分法9。采用前者求解即为隐式动力学求解，采用后者求解则为显式动力学求解。相较而言，隐式动力学求解的结果更精准，适用于长时间过程的仿真。仿真过程可等效为数学问题，即假定 0,t1,t2,tn时刻的位移、速度和加速度矩阵均为已知，求模型tn+t时刻的响应。隐式求解算法假定在时间间隔 t，t+t 加速度线性变化，即速度、位移公式分别为()1ttttttuuuut+=+?（2）212tttttttuuutuut+=+|?（3）式中：、分别为可积分精度和稳定性要求调整的参数。根据式（2）和式（3），可解出t+t时刻互不耦合的速度和加速度，分别为()112tttttttuuuuutt+=+|?（4）()211112tttttttuuuuutt+=|?（5）将式（4）和式（5）带入式（1），可整理出ut+t的计算公式为 ttu+=KF（6）其中 21tt=+KMCK（7）211112 112ttttttttFuuuttuuutt+=+|+|FMC?（8）式中：K 和 F 分别为有效刚度矩阵和有效载荷矩阵10。另外，历史载荷已知，Ft+t为已知量。刚度矩阵 K 在方程的左边，因此求解位移ut+t时不可避免地需要求解刚度矩阵的逆。矩阵求逆的计算量非常大，特别是涉及非线性问题时，矩阵 M、K 和 C可能随时间变化，隐式求解的难度和时间成本较大，采用显式求解更明智。文章采用隐式求解算法对钢壳缩口过程进行仿真，以获得更精确的结果。2钢壳缩口的有限元仿真为提高计算效率，先对实体模型进行简化，只保留最关键的工艺参与部件，即夹具、导杆和钢壳。简化后的模型如图 2 所示。按照实际材料设置模型中各实体的材料，电芯和钢壳为不锈钢，导杆为轴承钢，夹具简化为刚体处理。导杆与夹具、夹具与钢壳之间均设置摩擦接触，如图 3 中的C1、C2所示。导杆的位移曲线按实际工况“静止现代制造技术与装备1602023 年第 3 期总第 316 期向上运动静止向下运动静止”进行设置。仿真中设定为一个位移D1，如图 3 所示。另外，整个模型添加重力场G。图 2简化后的缩口模型图 3仿真模型的接触和载荷设置夹具保持和松弛阶段钢壳的形变情况分别如图 4 和图 5 所示。夹具保持阶段，钢壳最大变形为 0.138 mm。夹具松弛后，钢壳最大变形为 0.157 mm。这是由于夹具松弛后，钢壳会发生明显的回弹。对比仿真结果，回弹量约为 0.02 mm。为应对该回弹，夹具工作面应设置+0.02 +0.04 mm 的正公差。随后导出导杆受力结果，如图 6 所示。随着导杆向上运动，夹具与钢壳未接触时，受力缓慢增大。当夹具与钢壳接触后，受力开始增大。当导杆运动至最高点并保持静止时，导杆最大受力达到 2 738.8 N。随后导杆开始下降，导杆的受力也急速下降，并在夹具与钢壳脱离接触后快速下降到零。图 4夹具保持阶段钢壳形变云图图 5夹具松弛阶段钢壳形变云图单独对导杆进行静力学分析，分析导杆的受力得到如图 6 所示的结果。导杆的静力学分析结果应力应变分别如图 7 和图 8 所示，最大应力为 6.193 MPa，最大形变为 0.001 mm。材料的屈服强度为 580 MPa，设计形变不大于 0.01 mm。应力应变均在安全范围内，整个缩口过程无安全风险。图 6缩口过程导杆受力仿真结果161工 艺 与 装 备图 7导杆应力云图图 8导杆应变云图3结语采用隐式求解算法对钢壳缩口过程进行动力学仿真，完整模拟缩口工艺过程，获得钢壳的变形和回弹。仿真结果表明：夹具松弛后钢壳会有 0.02 mm 的回弹，夹具工作面设置+0.02 +0.04 mm 的公差可部分抵消回弹量；导杆在整个过程中的最大受力为 2 738 N，其应力和变形均无安全风险。该方法将缩口工艺过程可视化，量化回弹和受力，可为优化工艺参数提供重要指导，具有重要的实用价值。参考文献1 明心健.锂离子动力电池高速自动套管设备关键系统设计及运动学分析 D.广州：华南理工大学，2019.2 韩耀东，韩明彦.汽车副消声器后端盖的缩口成型模设计 J.模具制造，2022（11）：11-16.3 吴昂，吴莹，李国俊，等.基于响应曲面法的大型锥形件缩口成形工艺设计及多几何参数优化 J.机械工程学报，2019（24）：83-92.4 周志强，邬德