案例分享 | 基于Ansys结构仿真再现薄板卷绕受力仿真分析

目前新能源汽车发展迅猛，做为新能源汽车动力来源的电池，它的研究和发展也是目前我们最为关注的。那么，在动力电池生产制造工艺中，需要将电池的正负极材料进行卷绕，这样就需要我们考虑卷绕过程中正负极材料的受力情况，以防止卷绕过程对其造成损伤等不利影响。

薄板卷绕受力分析过程

-几何模型
-材料模型
-网格划分
-接触&连接
-边界条件
-分析设置
-分析结果
-总结&建议

本文将介绍基于Ansys  Workbench的Static Structural模块实现薄板卷绕受力仿真分析，本文的重难点在于此分析具有明显的接触非线性，几何非线性，材料非线性行为问题，需要读者特别注意。

几何模型
此分析对象由压板，薄板和卷轴组成，其中薄板为卷绕成型的可变形零件，其它定义为刚体零件，如下图所示：

注：几何模型的创建，简化，几何特征的修复等可通过SpaceClaim软件完成。

几何模型

材料模型
薄板的材料304钢，厚度为0.075mm,材料模型为弹塑性本构，塑性段采用为双线性各向同性硬化，材料参数如下：

– 杨氏模量：2.1E+11(Pa)
– 泊松比：0.29
– 屈服强度：2.72E+08(Pa)
– 切线模量：1.5E+09(Pa)

材料参数

网格划分
– 网格尺寸设为0.6mm

注：为减少计算时间，笔者采用0.6mm的网格大小，实际分析项目读者可根据实际情况进行网格调整。

接触&连接
– 接触设置：

壳与卷轴的接触定义为无摩擦接触，接触行为定义Asymmetry，升级刚度定义为每次迭代，稳定阻尼系数定义为20，Pinball区域定义为半径，值为0.05mm,时间步控制定义为自动平分，如下图所示；

壳本身的接触定义无摩擦接触，稳定阻尼系数定义为20，如下图所示；

壳与压板的接触定义为无摩擦接触，接触行为定义Asymmetry，小滑移定义为off,升级刚度定义为每次迭代，稳定阻尼系数定义为20，时间步控制定义为自动平分，如下图所示。

注:此处设置为顺利建立接触关系和使计算收敛做的调整，读者可自行查阅相关帮助理解其功能作用。

– 卷轴与薄板使用Fixed连接副进行连接，连接位置为卷轴的特征线与薄板一端边线，如下图所示：

卷轴与薄板的连接

– 卷轴使用Body-Ground Revolute进行连接，使其只能绕着自己的轴线转动，如下图所示：

卷轴与Ground的连接

边界条件
边界条件定义如下图所示：

-上下压板使用Remote Displacement约束其六个方向自由度；

– 薄板右端施加1N的拉力；

– 卷轴绕卷轴轴线旋转-360°，此处选择创建的Revolute连接副做为旋转类型。

边界条件

分析设置

分析设置如下图所示：

– 自动时间步定义为off，并定义子步数为800(自动时间步可以定义为ON，只要可以计算收敛，读者可以自行设定);

– 大变形选项定义为ON；

– Line Search选项定义为ON

– Stabilization选项定义为Constant，其中参数默认。

注：对于子步数的定义，读者可以根据计算的收敛状态进行调整，必要时可借助重启动选项减少重复计算，提高计算效率。

分析设置

分析结果
-设置时间步为0.5s，结果如下图所示：

Von Mises应力云图

总位移云图

设置第时间步为1s，结果如下图所示：

Von Mises应力云图

总位移云图

总结&建议

– 本文通过Ansys Mechanical软件，实现了薄板卷绕过程的受力分析，并详细介绍了软件操作流程。

– 如果是多圈瞬态卷绕过程中的受力分析，则建议使用LS_Dyna(显式动力学工具)来处理此类问题。

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关于新科益

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