胡貴　關(guān)安南　丁超　葉南飚

摘? ?要：借助Moldex 3D軟件，本研究針對(duì)壓縮成型長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)（LFT-D）電池箱進(jìn)行模擬。對(duì)電池箱體的翹曲、玻纖取向和走膠困氣等進(jìn)行了預(yù)測(cè);并對(duì)比壁厚、預(yù)填料布置和工藝等對(duì)于變形的影響。本文對(duì)LFT-D電池箱的模壓成型進(jìn)行模擬，對(duì)于LFT-D電池箱開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義，希望通過本文提出的意見能夠?yàn)樾履茉葱袠I(yè)作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Moldex 3D;LFT-D長(zhǎng)玻纖壓縮;電池箱輕量化;翹曲變形;玻纖取向;預(yù)填料

目前，電池包上蓋材料多采用金屬和SMC方案，SMC作為一種熱固性材料，具有密度低（約1.8 g/cm3）及高阻燃等特點(diǎn)，但是該類材料同時(shí)也存在硬而脆的特點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品必須通過一定的結(jié)構(gòu)和厚度來保證強(qiáng)度。即便如此，在實(shí)際生產(chǎn)、裝配過程中也偶爾會(huì)出現(xiàn)開裂的情況。同時(shí)，SMC材料在生產(chǎn)效率和環(huán)保上也存在明顯劣勢(shì)。圖1為市面上的一款SMC產(chǎn)品。

在現(xiàn)有設(shè)計(jì)下，模組級(jí)的集成效率（電芯占模組的重量百分比）只能達(dá)到80%左右，而到了整包級(jí)別集成效率只能達(dá)到70%左右[1]。以商用車為例，目前鐵鋰電芯能量密度最高僅為150 Wh/kg，而國(guó)家要求能量密度達(dá)到115 Wh/kg以上才能享受較高的補(bǔ)貼，簡(jiǎn)單換算可知，即整包集成效率要達(dá)到80%以上才能享受國(guó)家新能源汽車較高補(bǔ)貼。顯而易見，提高整包級(jí)別集成效率至關(guān)重要。

電池包外殼是電池包整體最重要的外部結(jié)構(gòu)，其對(duì)材料的技術(shù)要求非常嚴(yán)苛，除了要求強(qiáng)度高、電絕緣性好等常規(guī)性能外，還要求具備極佳阻燃性能、優(yōu)異的可制造性和良好的環(huán)保性能等。

LFT-D工藝較傳統(tǒng)SMC相比，其技術(shù)性能具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）無毒、無味，可改善工作環(huán)境。（2）質(zhì)輕，密度只有1～1.2 g/cm3。（密度與基材種類和玻纖含量相關(guān)）。（3）邊角料及廢品可循環(huán)使用，最大限度減少浪費(fèi)。（4）強(qiáng)度比SMC高，抗沖擊韌性尤為突出。（5）耐腐蝕、電性能更優(yōu)良。（6）產(chǎn)品壓制速度比SMC快數(shù)倍，生產(chǎn)效率大幅提高。

但是由于LFT-D成型不同于傳統(tǒng)的注塑成型，目前，在CAE模擬和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)方面都沒有注塑成型成熟，導(dǎo)致開發(fā)周期長(zhǎng)且成本高。CAE技術(shù)是根據(jù)流變學(xué)、傳熱學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等基本理論，建立塑料在流動(dòng)過程中的填充、冷卻、變形的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算，得到熔體的流動(dòng)、應(yīng)力情況。本項(xiàng)目利用Moldex 3D軟件模擬分析電池箱的壓縮成型過程，并對(duì)比結(jié)構(gòu)，工藝和預(yù)填料對(duì)于翹曲的影響，為模壓的生產(chǎn)制造提供指導(dǎo)方案。

1? ? 制件概況

產(chǎn)品為電池箱上蓋，尺寸為1 330 mm×880 mm×150 mm，平均厚度為2 mm。產(chǎn)品成型邊緣需要轉(zhuǎn)孔，用于電池箱的密封，由于打螺絲受力，為了保證強(qiáng)度增加厚度到4 mm。為了便于計(jì)算簡(jiǎn)化了模型，模型表面沒有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品沒有對(duì)穿孔（實(shí)際生產(chǎn)中多采用后處理的方式進(jìn)行機(jī)加工）。采用Moldex 3D軟件對(duì)該產(chǎn)品成型過程進(jìn)行模擬分析，嘗試尋找一些外觀缺陷和翹曲的原因，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比。

2? ? 成型工藝參數(shù)設(shè)定

塑件材料為KingFa長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)阻燃聚丙烯材料。壓縮成型工藝：模具溫度50 ℃;熔體溫度240 ℃，壓縮間隙設(shè)為180 mm，采用兩段的壓縮工藝。其中，熔體壓縮速度為50 mm/s。最大壓縮力為3 000 tf（選用3 000 t的壓縮機(jī)臺(tái)）。

結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況，預(yù)填料采用了3種放置方式。第一種采用常規(guī)的放置方法，第二種放置了兩塊膠，第三種方法是增加了產(chǎn)品的壁厚，壁厚由2.0 mm增加到2.5 mm。

3? ? 模壓分析主要結(jié)果解讀

3.1? 不同工藝對(duì)于產(chǎn)品填充結(jié)果的影響

根據(jù)3種工藝方案進(jìn)行CAE模擬分析后，其填充末端的結(jié)果如圖2所示。

第二方案中，最后填充的位置出現(xiàn)熔體滯留的現(xiàn)象，這種滯留現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)過程中可能會(huì)產(chǎn)生圖下方的冷料缺陷，這種缺陷將影響外觀和產(chǎn)品強(qiáng)度。由于該位置會(huì)打螺絲，所以在生產(chǎn)中應(yīng)該避免。另外電池箱產(chǎn)品由于邊緣較厚可能出現(xiàn)跑道效應(yīng)，產(chǎn)生困氣現(xiàn)象，這些問題都應(yīng)該在CAE階段避免。解決這類問題的方法就是改變預(yù)填料的方式。

3.2? 結(jié)合線和困氣

根據(jù)moldex 3D的分析結(jié)果，能夠直接輸出結(jié)合線和困氣的位置。這些困氣和結(jié)合線在實(shí)際產(chǎn)品上的表現(xiàn)是對(duì)外觀和強(qiáng)度造成影響。

以上變形結(jié)果是放大3倍時(shí)的效果圖，主要是為了便于觀察。moldex 3D能夠直接模擬出變形的大小和趨勢(shì)。從分析結(jié)果來看，方案一的翹曲變形最小，最大變形量為8.6 mm。3種方案的變形都是4個(gè)角翹，除了方案2外，其余都是中間下凹的變形結(jié)果。由之前所述，這可能和玻纖取向和體積收縮相關(guān)。

如果不考慮玻纖取向的變形，3種方案的變形結(jié)果相似，正是四角上翹，中間下凹的結(jié)果，而且變形的結(jié)果較大達(dá)到了12.8 mm。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

（1）通過CAE成型軟件的模擬，能夠?qū)δ撼尚偷囊恍┤毕葸M(jìn)行預(yù)測(cè)。從而達(dá)到節(jié)約試模成本，縮短開發(fā)周期的目的。

（2）模壓產(chǎn)品的變形與預(yù)料布置有關(guān)，主要受玻纖取向和產(chǎn)品收縮不均的影響。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王 芳，夏 軍.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)—設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[2]NIGEL C，PAULA D.Advanced industrial and engineering polymer research[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2018（1）：99-110.

Application of Moldex 3D in molded power battery box

Hu Gui， Guan Annan， Ding Chao， Ye Nanbiao

（Product R&D Center of Goldilocks Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract：With the aid of Moldex 3D software， the compression molding long glass fiber reinforced（LFT-D）battery box was simulated. The warping deformation， glass fiber orientation and trapping gas of the battery box are predicted in this research. The effects of wall thickness， pre-packing arrangement and process on deformation are compared. In this paper， the modeling of LFT-D battery box is simulated， which is of great significance for the development of LFT-D battery box. It is hoped that this paper can contribute to the new energy industry through the advice put forward in this paper.

Key words：Moldex 3D; LFT-D long glass fiber compression; battery box lightweight; warping deformation; glass fiber orientation; prefiller