纤维增强复合材料铺层对新能源汽车电池上盖模态的影响

2018-05-31谭敦厚王燕单丰武

时代汽车 2018年4期

谭敦厚王燕单丰武

1.湖南三合汽车新材料有限公司湖南省长沙市 410323 2.江铃集团新能源汽车有限公司江西省南昌市 330013

1 引言

为响应节能减排的新法规，新能源汽车已经成了目前的发展热点，对于新能源电动汽车，受限于电池能量密度，其续航里程与燃油车有较大差距，这也是限制其销量的主要原因之一，减重成了解决续航里程的重要手段。复合材料密度低，比强度、比刚度较高，且其耐腐蚀抗疲劳性能均优于传统金属材料，在飞机机身上已有成熟应用，成功为其减去了大部分重量，有鉴于此，汽车行业开始尝试使用复合材料替换部分零件，并积累了一定的经验。电池箱盖已经逐步采用纤维增强复合材料制造，由于纤维材料的各向异性有别于传统材料，在结构设计上也存在巨大差别[1]，本文针对某型号电池箱盖，利用CAE分析软件调查纤维铺层对该结构的影响，试图找出有利于提高其一阶模态的铺层方式，为同类型的结构提供设计依据。

2 纤维增强复合材料

复合材料指两种或两种以上性质不同的材料通过特定的工艺复合而成的新型材料，目前在汽车上使用的复合材料，主要采用纤维作为增强体，树脂作为基体。由于纤维材料的性能主要沿纤维方向分布，因此该材料复合后呈现强烈的正交各向异性。结构的性能由纤维方向的分布和铺层方式决定，理论上有无限多种铺层，实际上，为了简化设计和工艺的流程，只采用0°、45°、90°、-45°四个方向进行铺层，现有的大部分研究都是在此基础开展的。

汽车上主要采用以玻璃纤维为增强体，环氧树脂为基体的复合材料。玻璃纤维具有耐热、绝缘性好、线膨胀系数小、抗腐蚀性好、不易老化、不发霉等特性[2]，且复合材料起步于玻璃纤维的研究与应用，相关的技术比其他增强纤维较为成熟，玻璃纤维较低的成本也是推动其广泛使用的原因之一。环氧树脂的粘结强度和内聚强度高，工艺性好，收缩率低，化学稳定性好，虽然价格比较高，但是由于它的综合性能最好，仍有广泛的应用。本文选用市面上已有的某款材料进行分析，其性能如表1所示。

3 有限元模型的建立

为了减轻重量，某新能源电动汽车的电池上盖选用复合材料制作，并对结构重新进行设计，电池上盖虽然是非承力件，但是设计要求其固有频率高于30Hz[3]，以避免共振的发生。图1为某款电池箱盖结构示意图，整体壁厚3mm，网格尺寸为5，有限元模型单元数83867，节点数83791。计算时约束法兰边上螺栓孔的平动，定义电池箱盖的长度为铺层的0°方向。

图1 电池箱盖有限元模型

4 铺层方式对模态的影响

4.1 单一方向铺层对模态的影响

首先，研究四个方向的铺层对模态的影响，设置所有铺层为同一方向，计算结果如表2所示。

表1 计算所用材料性能参数

表2 四个方向铺层计算结果

表3 四种铺层计算结果

从计算结果可以看出，铺层全为同一方向时，电池箱盖的模态均低于30Hz，不满足要求。当纤维方向为0°时，频率最低，为14.83 Hz，当纤维方向为±45°时，频率有所提高，纤维方向为45°时的频率最高，为18.56 Hz，频率提高25%左右。查看四种方向铺层的振型图（图2所示），0°和90°铺层的振型类似，其结果也接近，45°和-45°铺层的振型几乎是对称的，频率略有差别，这种差别是由于结构并不是完全对称造成的。

图2 四个方向铺层一阶模态振型

4.2 多方向铺层对模态的影响

实际上，大部分结构的铺层并不是单一方向的，且多数的铺层设计遵循对称均衡的原则。由于材料的单层厚度为0.3mm，电池上盖的壁厚为3mm，共需要10层，按照对称均衡的原则进行设计铺层后，有一个方向的铺层占40%，其他三个方向的铺层各占20%，初步设计四种铺层进行计算：

（1）4 5°方向铺层比例为4 0%，45°/0°/-45°/90°/45°/45°/90°/-45°/0°/45°；

（2）-45°方向铺层比例为40%，45°/0°/-45°/-45°/90°/90°/-45°/-45°/0°/45°；

（3）0°方向铺层比例为4 0%，4 5°/0°/0°/-4 5°/9 0°/9 0°/-45°/0°/0°/45°；

（4）9 0°方向铺层比例为40%，45°/90°/90°/-45°/0°/0°/-45°/90°/90°/45°；

与单一方向的铺层相比，结构的频率有了很大的提高（计算结果见表3），均大于30Hz。45°和-45°方向占40%的两种铺层频率接近，这一点与单一方向铺层结果一致。0°方向占40%的铺层方式频率最高，为40.4Hz，90°方向占40%的铺层方式频率最低，为33.6Hz。四种方式的铺层振型一致（图3），且不同于单一方向铺层的振型。