Page 27 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 赵春风，等： 动态荷载作用下钠离子电池的失效行为与安全性能分析 第 8 期

w 的关系：
可以用非线性曲线来拟合载荷 P 与位移
P = Aw a (4)
式中：a 为待求指数。
对于 18650 型圆柱形电池，R 为 9 mm，L 为 58 mm（去除两端端盖的长度），结合式 (1)～(4) 得到：

σ av = 3 770ε 4.03 (5)
av
式 (5) 为有限元模拟中电池内芯的应力-应变曲线的表达式。
3.2 材料模型

电池外壳采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_
表 1 模型材料参数
PLASTICITY（MAT_24）分段线性塑性材料模型
Table 1 Material model parameters
描述，该模型通过分段输入的真实应力-应变曲线
组件 材料类型 密度/(kg·m ) 弹性模量/GPa 泊松比
−3
精确表征钢壳的弹塑性力学行为。鉴于钠离子
外壳 Mat_24 7 800 160 0.30
电池压缩试验获得的应力-平台-密实化三阶段
本构曲线与泡沫材料的高度相似性，卷芯选用 卷芯 Mat_63 1 820 0.8 0.01
挤压板 Mat_20 7 850 200 0.33
*MAT_CRUSHAB LE_FOAM（MAT_63）材料模型
支撑板 Mat_20 7 850 200 0.33
描述；挤压板和支撑板均采用*MAT_RIGID（MAT_20）
材料模型描述，完整材料参数见表 1。
失效参数的选取对电池挤压模拟精度至关重要，鉴于目前尚无统一失效准则，在综合分析现有研究
的基础上确定建模策略：Wierzbicki 等 [7] 采用拉伸截止应力（tensile cut-off stress, TSC）作为电池短路失效
判据；兰凤崇等 [26] 采用基于 TSC 与最大失效主应变的复合准则；Xu 等 [10] 则基于统一强度理论（unified
strength theory, UST），结合 von Mises、Tresca 及 Mohr-Coulomb 准则通过三向主应力描述内芯失效。选
用 TSC 准则定义卷芯失效，根据试验测得的失效位移数据，通过参数反求确定卷芯的 TSC 为 12.3 MPa。
3.3 模型构建及边界条件

采用 ANSYS/LS-DYNA 非线性有限元软件
建立钠离子电池、挤压板及支撑板的挤压模型。
设定模拟挤压速度为 1 m/s，该速度下结构的动 Crushing plate
态响应效应微弱，可视为准静态加载过程，这在
此前研究 [6] 中已被证实可行。模型构型与网格
示意图详见图 5，电池外壳采用壳单元离散，尺
寸选为 1 mm。卷芯采用实体单元精细化建模，
为精确捕捉电池内部渐进失效行为，单元尺寸设 Fixed plate
(a) Schematic of planar (b) Cross-sectional
置 为 0.4 mm。 挤 压 板 与 支 撑 板 均 定 义 为 刚 性 compression setup grid schematic
体，采用壳单元进行建模，单元尺寸设为 1 mm。
图 5 模型构建及侧面网格示意图
支撑板底端施加全位移约束，挤压板约束除 y 向
Fig. 5 Computational model setup and cross-sectional
（压缩方向）外的所有自由度。所有接触对均采 grid schematic
用 Automatic Surface-to-Surface Contact 算法，接
触力计算使用罚函数法，摩擦因数取 0.3。
由图 6 可知，试验与模拟卷芯变形相似（图 6(b)），试验与模拟结果的局部差异主要体现在载荷-位移
曲线的平台波动阶段（图 6(a)），其根本原因在于实际电池内芯具有显著的非均质特性：正极/隔膜/负极的
层状结构在局部屈曲时产生复杂的界面效应，而本研究采用的均质化模型未能表征此类微观相互作
用。尽管如此，模型在关键失效指标上仍表现出良好精度：峰值载荷预测值（33.836 kN）与试验值的相对
偏差仅为 3.7%，且整体载荷增长趋势高度一致，验证了均质化模型在电池宏观力学响应预测中的可靠性。

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