圆筒形电池壳拉深工艺及数值模拟研究

作     者：孙文 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛克敏

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电池钢壳 多道次拉深工艺 变薄拉深 有限元模拟 

摘      要：习近平曾指出:发展新能源汽车是中国从汽车大国迈向汽车强国的必经之路。动力电池在新能源汽车的强大背景下,具有极大的市场潜力。随着对电池壳需求量的高速增长,对电池壳的质量要求也是越来越高。新能源汽车用动力电池钢壳是典型的薄壁空心筒形件,在多道次拉深过程中,在侧壁厚度减薄时,电池壳壁底部圆角过渡危险区容易出现局部过度减薄,有被拉裂的风险。同时电池壳尺寸越大,其拉深工艺也是越复杂,生产过程中出现的问题点也是越来越多。基于此,迫切的需要改善优化电池壳的拉深工艺,提高产品的合格率,以便更好地指导相关企业的实际生产。本文研究的主要内容阐述如下:本文通过利用CAE仿真模拟与物理实验验证相结合的方式,对多道次电池钢壳拉深工艺进行了深入的研究分析。首先建立零件拉深过程的力学模型,对模型各区域的应力应变进行理论基础分析,总结应力应变在拉深过程中的变化规律。接着进行电池壳钢原材料单向拉伸试验,得到钢壳材料的物性参数。对筒形电池钢壳进行成形工艺分析,确定多道次钢壳拉深次数及各工序尺寸。通过数值模拟仿真软件建立多道次拉深电池壳的有限元模型,分析各道次拉深成形的过程,对多道次拉深过程中的成形极限云图,厚度分布云图,应变云图进行研究分析。同时,对比壳单元与实体单元多道次仿真结果。壳单元模型虽然能够分析其成形极限的好坏情况,但是无法分析变薄拉深时侧壁厚度的真实情况;实体单元模型可以反映变薄拉深工序件的侧壁厚度变化情况但是忽略了材料的各向异性特性不符合实际,两种材料模型各有优劣。最后以第一道次等壁拉深仿真结果与物理验证结果相对比。结果表明,在等壁拉深过程中,有限元仿真的结果是可靠的。接着,通过单因素变量法研究在不同模具结构及工艺参数下的变形规律。以成形件的最大减薄率、最大增厚率以及凸耳率作为评价拉深件成形质量的指标,分析第一道次拉深过程中的凸凹模圆角半径、凸凹模间隙、压边力、材料厚度、冲压速度等因素对拉深件质量的影响。在此基础上,利用多因素正交试验方案得到了各工艺参数的最佳组合,将最佳工艺参数组合输入到仿真软件中进行模拟,获得极佳的仿真结果。最后再按照最优的工艺参数再逆向指导模具的优化设计,并通过开模物理实验验证,成功的生产出符合图纸要求的零件。本课题完成了某电池壳多道次拉深模的凸凹模尺寸的设计优化及数值模拟仿真试验,同时研究了该拉深件在拉深成形过程中不同工艺参数对成形质量的影响程度,为该电池壳的实际生产提供了有力的技术指导。