碳纤维增强复合材料电池箱轻量化设计*

2020-03-18王登峰唐傲天陈书明

汽车工程 2020年2期

陈静，彭博，王登峰，唐傲天，陈书明

（吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025）

前言

汽车已经向“轻量化、电动化、智能化”转型［1］，2017年全球电动汽车的总销量约为333万辆，比2016年增长26.0%［2］。尽管电动汽车的销量飞速增长，但其续航里程一直饱受诟病，甚至引发“里程焦虑”。在当前的电池技术背景下，提升电动汽车续航里程的技术主要依赖车辆结构的轻量化。

汽车轻量化主要从结构优化、新材料利用和先进制造工艺运用3个方面着手。结构优化已经相对成熟，因此要进行更深层次的轻量化设计，新材料利用成为主要选择。碳纤维增强复合材料凭借密度低、强度高、刚度大等优点，已在车身结构中大量应用［3-6］。

本文中对某车型的电池箱进行轻量化设计。所涉及的优化技术主要包括：形貌优化、尺寸优化、自由尺寸优化、多目标优化和顺序优化等。在电池箱轻量化过程中，提出了评价电池箱结构安全性的挤压工况，而且应用多种优化方案，实现了电池箱的轻量化目标。

1 电池箱有限元模型建立

所研究的电池箱是根据某车型的实体模型测绘得到的。其外观尺寸为1600 mm×850 mm×175 mm；单个电池模组的尺寸为375 mm×270 mm×175 mm，共计10个电池模组。上箱体厚度为3 mm，下箱体侧板厚度为4 mm，下箱体底板和吊耳的厚度为5 mm。原电池箱采用的材料是6082-T6铝合金，其密度为2.7×10-9t／mm，泊松比为0.32，弹性模量为7.2×104MPa，屈服强度为285 MPa，抗拉强度为355 MPa。

为建模方便，本文中不考虑电池系统的线束和其他附件，将电池模组和模组固定结构合并考虑。在电池箱的仿真计算中，电池模组不发生变形，但须确保质量分布和载荷传递路径与实际相符，因此电池模组选择六面体网格模拟，平均单元尺寸为15 mm。上下箱体采用壳单元模型，平均单元尺寸为5 mm。所建立的电池箱有限元模型如图1所示，电池箱结构各部件的质量分布如表1所示。

图1 电池箱有限元模型

表1 电池箱各部件质量分布

2 仿真工况确定与性能分析

2.1 仿真工况确定

综合电动汽车电池箱的研究现状、电池箱实际工作载荷和企业要求［7-9］，确定如表2所示的典型工况。

2.2 原电池箱性能分析

2.2.1 模态分析

电池箱的前4阶模态频率如表3所示，第1阶模态频率为20.67 Hz，低于设计要求的30 Hz。

2.2.2 随机振动分析

X、Y、Z三向的随机振动参数按照GB／T 31467.3—2015中表2、表4、表5执行。三向的1σ应力云图分别如图2～图4所示。对应的3σ应力分别为30.1、81.6和196.0 MPa，均小于材料的屈服强度。

表2 典型仿真工况

表3 原电池箱前4阶模态频率

图2 X向激励下1σ应力云图

图3 Y向激励下1σ应力云图

2.2.3 挤压分析

按照表2说明的挤压工况对电池箱进行分析，得到的横向挤压位移云图如图5所示，应力云图如图6所示，其中最大位移为23.76 mm，最大应力为264.1 MPa。纵向挤压工况下的位移云图如图7所示，应力云图如图8所示，其中最大位移为10.39 mm，最大应力为238.0 MPa。

图4 Z向激励下1σ应力云图

图5 横向挤压工况位移云图

图6 横向挤压工况应力云图

图7 纵向挤压工况位移云图

图8 纵向挤压工况应力云图

3 上箱体优化

上箱体不是主要承载部件，考虑成本因素继续采用铝合金材料。对上箱体采用形貌优化和尺寸优化方法进行轻量化设计。

3.1 上箱体形貌优化

模态分析中发现，电池箱的第1阶模态过小，且第1阶振型主要集中在上箱体，因此对上箱体进行形貌优化来提高电池箱的模态频率。加强筋起筋方向选为垂直箱体表面向上，最小宽度设为30 mm，起筋高度为10 mm，并对加强筋施加前后左右对称的约束。

形貌优化结果如图9所示。形貌优化只是给设计人员提供概念指导，其结果并不能直接用于加工制造，必须对其优化结果进行形状修整。依据形貌优化给出的结果，修整后的电池箱上箱体形貌如图10所示。

图9 形貌优化结果

图10 修整后上箱体形貌结果

3.2 上箱体尺寸优化

原始上箱体的厚度为3 mm，利用尺寸优化确定最佳的上箱体厚度。尺寸优化的设计变量为上箱体的所有单元，约束为第1阶模态频率高于30 Hz，优化目标为质量最小。经过8步迭代后，得到上箱体的最佳厚度为1.85 mm，考虑到加工制造工艺，最终选取上箱体厚度为2 mm。

4 下箱体优化

下箱体属于主要承载部件，为对其进行轻量化设计和探索复合材料优化技术，采用碳纤维复合材料替换原铝合金材料的优化方案。

4.1 碳纤维复合材料力学试验

碳纤维复合材料属于正交各向异性材料，将其应用在汽车结构上可极大降低汽车质量，但其力学参数受多种因素影响，例如加工工艺、丝束规格等。因此为获取准确的力学参数，参照美国材料试验协会相关力学性能测试标准完成试验［10-11］，获取的力学参数如表4所示。试验设备如图11所示，试验样件中90°纤维的压缩试件如图12所示。

表4 碳纤维力学参数

图11 力学参数试验设备

4.2 下箱体自由尺寸优化

复合材料的铺层方式和铺层角度的选取对结构性能具有一定影响，本文中选择常见的4种铺层角度，分别为0°、＋45°、-45°和90°，铺层方式采用对称铺层。自由尺寸优化中超级层厚度为3 mm，为得到良好的优化结果，设定优化结果中最小区域尺寸为50 mm，＋45°和-45°具有相同的分布形状，下箱体最大厚度为20 mm，最小厚度为3 mm。自由尺寸优化要素如表5所示。

图12 90°纤维压缩试件

表5 自由尺寸优化要素

根据以上的设计要素提交Optistruct进行求解，经过25步迭代之后，优化结果收敛，得到的复合材料厚度分布如图13所示。

图13 自由尺寸优化所得厚度分布

针对不同角度的厚度分布，Optistruct会用不同形状的4个单层拟合自由尺寸优化所得到的结果。初始铺层共包含4种角度，经过自由尺寸优化共产生16个铺层。由于篇幅所限，这里仅将90°层的第3个形状进行展示，如图14所示。

4.3 下箱体尺寸优化

虽然在自由尺寸优化过程中控制了碎片尺寸，但是从图14中可以看出，所得形状是不规则的。所以尺寸优化的第1步需要对自由尺寸优化得到的形状逐个修整。90°层第3个形状修整后的结果如图15所示。

尺寸优化的目的是给多目标优化提供合理的设计变量初值。因此在尺寸优化中应考虑碳纤维的单层厚度，本文所采用的碳纤维单层厚度为0.25 mm，尺寸优化要素如表6所示。

图14 90°层第3形状

图15 修整后90°层第3形状

表6 尺寸优化要素

4.4 下箱体多目标优化

将电池箱的模态频率和质量作为关注目标，选取典型工况响应作为约束，对电池箱进行多目标优化。取碳纤维疲劳强度为600 MPa［12-13］，所涉及的优化要素如表7所示。

多目标优化过程中需要多次求解典型工况响应。为缩短优化时间，典型工况的响应通过近似模型得到。近似模型建立过程如下：首先利用最优拉丁超立方的方法生成150组样本点；然后提取各个样本的典型工况响应，建立2阶响应面近似模型；最后对精度较低的近似模型采用增加样本点的方法改善精度，保证所有近似模型的R2值均在0.9以上。

在Isight软件中搭建多目标优化流程，采用NSGA-II算法对多目标优化问题进行求解，得到的帕累托解集如图16所示。

表7 多目标优化要素

图16 多目标优化的帕累托解集

表8 多目标优化结果

结合实际要求，选取质量23 kg（下箱体和吊耳的质量）和第1阶模态频率30 Hz作为多目标优化的结果，对应设计变量取值如表8所示。表中编号的第1个数字代表铺层结构，本文中只有一种对称铺层结构，所以均为1；第2个数字代表铺层角度，1代表0°铺层、2代表＋45°铺层、3代表-45°铺层、4代表90°铺层；第3个数字代表对应铺层角度的铺层形状，1为第1种形状，2为第2种形状，以此类推；最后两位数字代表对应形状的层数，1表示第1层。

4.5 下箱体铺层顺序优化

为提高碳纤维结构的可制造性，对铺层顺序进行优化。优化约束如下：第一，＋45°和-45°层成对出现；第二，相同角度铺层连续出现的次数不超过2次；第三，结构表面铺层角度为＋45°或-45°。利用Optistruct进行求解，所得铺层顺序的结果如图17所示。因为采用了对称铺层结构，所以结果中仅显示一半的铺层顺序。

图17 顺序优化结果

5 优化结果验证

为简化优化问题，在电池箱多目标优化过程中未考虑某些工况，且最终的优化结果是根据近似模型得到，所以有必要对最终设计进行结果验证。

表9 优化后模态频率

5.1 模态分析

碳纤维结构电池箱前4阶模态频率如表9所示。第1阶模态频率为30.6 Hz，满足高于30 Hz的优化要求，其他阶次的频率相比优化前均有不同程度的提高。

5.2 随机振动分析

X、Y、Z 3个方向的1σ应力云图如图18～图20所示。3个方向的最大1σ应力分别为8.4、25.1和20.2 MPa。对应的3σ应力均小于铝合金的屈服强度，也远小于碳纤维的疲劳强度（600 MPa）。

图18 X向随机振动1σ应力分布

图19 Y向随机振动1σ应力分布

图20 Z向随机振动1σ应力分布

5.3 挤压分析

横向挤压工况下的位移云图如图21所示，最大位移为7.19 mm。复合材料失效因子分布如图22所示，最大失效因子为0.43。应力云图如图23所示，最大应力为264.8 MPa。纵向挤压工况下的位移云图如图24所示，最大位移为4.68 mm。复合材料失效因子分布如图25所示，最大失效因子为0.62。应力云图如图26所示，最大应力为261.2 MPa，小于铝合金材料的屈服强度，复合材料失效指数小于1，满足设计要求。