1、新能源汽车及动力电池系统新能源汽车及动力电池系统的轻量化技术及应用的轻量化技术及应用新能源汽车带来的机遇和面临的挑战新能源汽车带来的机遇和面临的挑战清华苏州研究院汽车轻量化中心简介新材料新工艺高级力学特性与仿真技术动力电池PACK包的结构轻量化设计铝合金搅拌摩擦焊技术与电池包应用新能源汽车带来的机遇和面临的挑战清华苏州研究院汽车轻量化中心简介清华苏州研究院汽车轻量化中心简介新材料新工艺高级力学特性与仿真技术动力电池PACK包的结构轻量化设计铝合金搅拌摩擦焊技术与电池包应用材料与接头 零部件层级 子系统层级 整车层级 汽车轻量化技术中心是清华苏州汽车研究院直属的新材料新工艺轻量化零部件开发平台
2、聚焦先进高强钢，铝镁合金，以塑代钢以及复合材料零部件模块化与轻量化 从材料部件系统整车 从选材结构工艺性能全面的汽车轻量化工程解决方案中心简介面向新能源汽车设计开发的轻质材料与连接接头力学性能数据库 p 金属材料 高强钢HSS(PHS) 铝合金Aluminum 镁合金Magnesiump 非金属材料 工程塑料Plastic 泡沫Foam 复材FRP 橡胶Rubber 织物Fabricp 连接接头 点焊Spot weld 胶粘Adhesive 铆接Rivet 搅拌摩擦焊FSW面向零部件轻量化的性能测试验证与仿真分析研发平台典型工程服务-材料高速拉伸测试认证与失效模型开发提供从常规物性检测高级力学
3、检测仿真模型开发的全面的材料应用技术解决方案典型工程服务-新材料新工艺轻量化零部件性能评价与设计优化l 建立零部件性能评价方法l 模拟“整车集成” 验证，缩短开发周期，降本增效 l 提出零部件设计优化策略典型工程服务-新材料新工艺轻量化零部件性能评价与设计优化DP780 vs. DP980 柱撞28.8km/hTWIP980QP1180p 掌握动力电池碰撞安全测试仿真关键技术p 在行业率先开展极端滥用工况下电池试验p 深入研究机械外载内短路热失控机理p 积累了宝贵的电池高速碰撞冲击试验数据p 促进虚拟技术在新能源汽车碰撞安全开发n 开发了高效可靠的动力电池有限元模型n 建立了动力电池机械外载下
4、的损伤准则典型工程服务-动力电池系统轻量化设计与安全性能优化新能源汽车带来的机遇和面临的挑战清华苏州研究院汽车轻量化中心简介新材料新工艺高级力学特性与仿真技新材料新工艺高级力学特性与仿真技术术动力电池PACK包的结构轻量化设计铝合金搅拌摩擦焊技术与电池包应用新材料应用急需高级力学性能数据库 汽车碰撞与冲压伴随着断裂失效现象、材料的各向异性特性 碰撞载荷作用下大变形，各向异性硬化、断裂失效 材料的强度、失效特性依赖于应变率和应力状态 新能源汽车设计需要更加精细的仿真 仿真可以预测结构性能以更好支持设计优化 对关键位置的网格需要进一步细化 考虑不同材料模型各向异性及断裂失效对仿真影响 考虑需仔细评
5、估输入仿真的材料曲线的质量 高级材料本构的参数标定的准确性 模型的复杂程度和计算时间将显著增加汽车材料动态加载测试技术ISO 26203-1 Metallic materials Tensile testing at high strain rates Part 1: Elastic-bar-type systemsISO 26203-2 Metallic materials Tensile testing at high strain rates Part 2: Servo-hydraulic and other test systems1、加载方向上加长力的测量装置液压伺服高速拉伸机l 加
6、载速率 20m/sl 应变率 0.51000/sl 开环和闭环两个模式l 载荷：50kN霍普金森杆l 应变率 500/sl 适用于高应变率试验l 速度：6-21m/s2、缩短力的测量装置（提高固有频率）汽车材料动态载荷测量技术载荷测量称重力传感器压电力传感器轻量化测力计样件粘贴应变片应变率上限s-1 1011025x102103应变率下限s-1无100无无备注准静态下使用超过应变率上限信号振荡超过应变率上限信号振荡应变片粘贴在试样弹性段n 载荷信号振荡与测试系统、测试对象、加载条件等相关n 测量技术的选择应综合考虑测试工况、工作效率和成本高应变速率下的大变形测量技术标距段：50mm动态剪切，提
7、取断裂应变动态拉剪，提取断裂应变，计算标距点位移断裂失效曲线n 获取丰富的试验信息，全场应变和局部应变n 非接触测量技术的经验与参数设置的标准化材料模型开发及仿真应用技术For LS-DYNA Metal MAT24 isotropy Metal MAT24+GISSMO failure Metal MAT122 anisotropy Metal MAT122+GISSMO failure Plastic MAT24 isotropy Plastic MAT187 SAMP-1 failure Foam MAT83 Rubber MAT6/MAT77 Composite MAT54/55/58
8、/162 Welding spot MAT100金属材料弹塑性模型开发与应用0.000.050.100.150.200.30.40.50.60.70.80.91.0真实应力 (GPa)塑性真实应变 0.005 s-1 0.1 s-1 10 s-1 100 s-1 500 s-1 1000 s-1应变率强化应变率强化材料高速测试分析流程材料高速测试分析流程LS-DYNA MAT 24LS-DYNA MAT 24零部件和整车碰撞仿真分析零部件和整车碰撞仿真分析金属断裂模型开发与结构仿真应用Good correlation of simulation considering fracture mod
9、el with testImproved prediction of fracture displacement 30%-75% with MMC fracture modelLS-DYNA MAT 24+MMCLS-DYNA MAT 24+MMC改性塑料材料模型开发与整车应用MAT187MAT187，相比传统，相比传统MAT24MAT24能更全面考虑应变率和应力能更全面考虑应变率和应力状态对材料弹塑性和失效断裂力学性能的影响状态对材料弹塑性和失效断裂力学性能的影响EPP泡沫模型开发与碰撞仿真应用低应变率压缩中低应变率压缩中高应变率压缩泡沫压缩对标结果泡沫压缩对标结果LS-DYNA MAT 8
10、3 FU CHANG FOAM座椅座椅PU泡沫泡沫保险杠保险杠EPP泡沫泡沫焊点失效模型建立与热成型碰撞仿真Lap-shearCoach-peelCross-tension点焊试件动态测试点焊试件动态测试MAT100MAT100材料模型标定材料模型标定MAT100MAT100模型在结构仿真的应用模型在结构仿真的应用新能源汽车带来的机遇和面临的挑战清华苏州研究院汽车轻量化中心简介新材料新工艺高级力学特性与仿真技术动力电池动力电池PACKPACK包的结构轻量化设计包的结构轻量化设计铝合金搅拌摩擦焊技术与电池包应用电芯精密结构件的轻量化设计与仿真优化电芯精密结构件的轻量化设计与仿真优化钣金电池包的轻
11、量化设计与性能优化8米城市新能源电动公交车配套电池包，优化后电池包模态和强度性能参数提高20%-47%，减重约7%铝挤出电池包的设计与结构性能评价挤压铝型材不同部位取样进行测试，力学性能差异和工艺相关性铝挤出电池包的焊接强度评价与测试认证铝挤出电池包的碰撞仿真与防护结构设计策略以 Tesla Model S 底部碰撞为例开展分析v 事故背景: 2013年10月初，美国西雅图高速公路 Tesla Model S 底部受路面物体撞击事故v 分析电池包底部碰撞的一般方法；电动汽车底部碰撞工况的讨论辨识v 电池包底部碰撞的简化仿真模型；基于此的参数化分析研究v 多层面断裂失效分析研究Localized
12、 deformation of individual batteries when various bottom structures are appliedFracture modes in shield plates of different materials 新能源汽车带来的机遇和面临的挑战清华苏州研究院汽车轻量化中心简介新材料新工艺高级力学特性与仿真技术动力电池PACK包的结构轻量化设计铝合金搅拌摩擦焊技术与电池包应用铝合金搅拌摩擦焊技术与电池包应用 搅拌摩擦焊于1991年由英国焊接研究所发明，是一种新型固相连接方法 搅拌摩擦焊接过程中，以搅拌针及轴肩与母材摩擦产热为热源，通过搅拌针
13、的搅拌和轴肩的轴向压力实现对软化母材的挤压和锻造，最终得到具有精细锻造组织特征的焊接接头搅拌摩擦焊技术简介搅拌摩擦焊技术简介l 可焊接传统熔焊难以施焊的高强铝合金（7系铝）和异种金属材料（铝铜）l 接头质量高，焊缝无气孔、裂纹，接头强度高，焊接变形小l 焊接成本低，焊接厚板不需开坡口，焊接过程无需保护气体和填充材料l 安全环保，无烟尘、飞溅、弧光辐射等，减少污染和对身体的损伤l 便于机械化、自动化、无人化操作，焊接质量稳定，产品一致性好搅拌摩擦焊技术特点搅拌摩擦焊技术特点 目前在工程化应用中，尚有以下问题亟待解决： 高速焊接，提高生产效率，降低生产成本？高速焊接，提高生产效率，降低生产成本？ 搅拌头寿命，如何评价，如何提高，降低损耗？搅拌头寿命，如何评价，如何提高，降低损耗？ 扩大应用范围，实现高熔点金属（钢）、铝钢等异种材料连接的工程化应扩大应用范围，实现高熔点金属（钢）、铝钢等异种材料连接的工程化应用？实现小轴肩焊接，扩大焊接适用范围？用？实现小轴肩焊接，扩大焊接适用范围？ 接头性能评价，不同类型接头性能评价，动态、高速条件下接头性能评价？接头性能评价，不同类型接头性能评价，动态、高速条件下接头性能评价？搅拌摩擦焊技术难点搅拌摩擦焊技术难点感谢倾听！期待合作！
