中文摘要：

动力电池系统的安全性是电动汽车产业化发展需要解决的关键问题之一。电动汽车在发生急刹、碰撞、滚翻等意外事故时，外力作用导致的电池窜动、挤压、冲击、开裂等机械破坏是引起电池电、热失效的直接原因，可能对乘员造成严重伤害。无论是改善电池内部材质的化学属性，还是改变电池布置位置或与车体结构的连接方式都无法从根本上解决其碰撞安全性问题。给电池加装轻质安全防护结构是防止其发生机械失效，避免安全事故的最直接和有效的方法。本项目以提高电动汽车动力电池碰撞安全防护性能为目标，采用试验研究结合数值仿真的方法，将功能材料与结构设计相融合，开展以具有特殊机械性能的负泊松比材料为核心，具备优良的缓冲吸能特性及抗穿刺能力的功能材料与夹层结构设计优化研究。此项研究工作，有望改善电动汽车的碰撞安全性，同时推动以负泊松比材料为代表的新材料在汽车被动安全领域的应用。

结论摘要：

本项目以提高电动汽车动力电池碰撞安全防护性能为目标，开展了以具有特殊机械性能的负泊松比材料为核心，具备优良的缓冲吸能特性及抗穿刺能力的功能材料与夹层结构设计优化研究。首先, 采用定制的电池碰撞实验箱完成了车用铅蓄电池的跌落冲击实验，结果表明电池外表在跌落冲击后未发生显著破坏，但电池在与刚性平台碰撞接触后有一定程度的反弹；主要原因在于冲击初速度相对较低。基于实验数据对电池跌落冲击过程进行了三维有限元建模与验证。在此基础上，利用大量有限元仿真试验研究了不同冲击初速度，不同碰撞接触位置，以及不同撞击角度下电池的变形破坏情况。结果表明电池在以50公里/小时的速度发生碰撞时将发生箱体破坏；电池在受到来自顶角的碰撞后变形量最大，而当受到其他方向碰撞时易发生内部接触短路、爆炸等危险情况；需要在电池不同部位设计相应的碰撞吸能结构。根据电池防护需求，采用动力显式有限元仿真对具有三种不同微元构型的蜂窝夹层板进行了面内穿刺性能分析与对比，研究发现具有内凹蜂窝构型的夹层板在面内穿刺作用下，芯体材料产生负泊松比集聚效应，导致其抗穿刺吸能能力显著高于普通六边形和四边形蜂窝夹层板，是较为理想的电池防护结构。针对内凹蜂窝夹层板的进一步详细参数化研究表明，面板厚度、芯体密度和厚度、胞元内角、胞元尺寸以及穿刺物形状等均对其抗穿刺性能有不同程度影响。同时，基于正交实验设计方法和径向基函数近似模型，以提高抗穿刺性能和结构轻量化为目标，对内凹蜂窝夹层板的宏、细观结构参数分别进行了多目标与单目标优化，得到了夹层防护结构最优设计。为满足电池爆炸等极端工况下防护结构的抗爆性能需求，仿真研究了铝泡沫夹层板的抗爆性能。结果表明具有较“软”迎爆面和较“硬”背板的夹层板综合抗爆性能最优。参数研究表明结构比吸能和背板变形量两个抗爆性指标无法同时改进，需要通过帕朗托前沿确定最优设计。最后，设计并制作完成了具有内凹蜂窝负泊松比材料芯体的电池夹层防护结构物理样件，实验和仿真结果均表明，负泊松比夹层结构的防护性能优于相同质量的泡沫夹层结构，是理想的电池防护结构。研究同时发现负泊松比夹层结构具有优异的抗弹道侵彻性能，可用于军事防护领域。相关研究成果共发表论文21篇，其中国际期刊9篇，SCI检索9篇，EI检索10篇；获得省市级学术成果奖励7项。已毕业硕士生5人，在读硕士生10人。