锂离子电池材料准静态压缩本构模型

锂离子电池储能系统在长循环过程中,电芯受力波动上升,这会影响电芯寿命及系统可靠性。数值模拟方法是预测电芯受力状态的有效方法,建立符合电芯力学特性的本构模型,并应用于数值模拟模型当中,可较准确地预测电芯受力状态,为工程设计提供参考。通过对电芯进行单轴压缩试验测试发现,电芯在加载过程中,表现有明显的非线性塑性行为;在卸载过程中,又表现有明显的非线性弹性行为,无法使用单一本构模型,对其加卸载力学响应行为进行表征。本工作使用两种类型的本构模型对电芯进行耦合建模,采用PE(porous elasticity)本构模型表征电芯的非线性弹性行为,采用CFP(crushable foam plasticity)本构模型表征电芯的非线性塑性及应变硬化行为。使用上述两种本构模型,对测试应力-应变数据进行材料参数反演,并将电芯视为层叠复合材料,分层交替赋予上述本构模型及材料参数,对电芯数值建模。针对电芯的单轴压缩试验测试工况,建立了仿真模型并数值求解,对比数值模拟结果与实际测试结果的应力-应变曲线数据,结果证明该建模方法可较准确表征电芯在加卸载过程中的力学行为,且吻合程度可满足工程仿真应用需求。

非均质弹塑性煤体水压致裂裂纹形态研究

常规储层煤层气开采,主要使用水力压裂的方法对煤体进行增渗改造,准确模拟弹塑性煤体在水力压裂后的缝网形态,可为施工工艺的改进和储层开采价值的评估提供参考。有限离散元方法(FDEM)是一种模拟弹塑性材料内部裂纹扩展形态的有效方法,为获得模拟所用本构模型中基于B-K准则的混合断裂能,对煤进行了变预制裂缝倾角的半圆盘三点弯曲(SCB)试验;提出一种使用环氧树脂包裹煤样的立方体试件进行水力压裂研究的试验方法,还原原位状态下水力裂缝的扩展过程,验证数值模拟方法的准确性。考虑到天然状态下煤储层的非均质性,引入统计学中的Weibull概率分布,将密度函数中的形状参数m定义为非均质度系数,按照Weibull分布对数值模型中的黏聚型单元的强度和断裂能进行随机赋值,模拟不同非均质程度煤储层在水力压裂作业中的裂缝扩展形态,并充分考虑了裂隙流从Darcy流向Poiseuille流的逐渐转化。结果表明:①有限离散元法适用于模拟弹塑性煤体中水力裂缝的扩展,以二次名义应力准则为裂纹的起裂判据,以B-K混合断裂能准则为裂纹的延伸判据,可准确模拟复杂应力状态下水力裂缝的扩展形态。②单簇射孔情况下,非均质度系数m=2~5的煤层中,水力压裂模拟得到的注液压力-时程曲线呈现出明显的压力峰,符合实际工程中的注液压力曲线。③非均质度系数m=1.5~5.0的煤层中,水力裂缝的扩展会出现分叉和偏转现象,非均质度系数过低(m<1.5)的煤层只会形成单条的长直裂缝,过高(m>5)的煤层会形成对称的双翼曲线裂缝,其中m=2的煤层在水力压裂后形成的裂缝形态最为复杂。