李師

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基于復(fù)合材料的電池盒輕量化設(shè)計(jì)

李師

（鄭州深瀾動(dòng)力科技有限公司，河南 鄭州 450000）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)體實(shí)際重量的有效減輕，可對(duì)其電池盒實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)?；趯?duì)電池盒具備的承載特點(diǎn)的深入分析，結(jié)合剛度等效原理，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行采用，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料的有效替代。文章簡(jiǎn)述了電池盒結(jié)構(gòu)，探究了基于復(fù)合材料的電池盒輕量化設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)效果，以期為電池盒輕量化設(shè)計(jì)提供借鑒。

復(fù)合材料；電池盒；輕量化設(shè)計(jì)

前言

復(fù)合材料質(zhì)量較輕，且具有較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的耐腐蝕性，在汽車(chē)領(lǐng)域得到了日漸廣泛的應(yīng)用。電池盒負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行承載，具有較大的尺寸，質(zhì)量相對(duì)較大，導(dǎo)致汽車(chē)自重和能耗增加，不利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，且對(duì)汽車(chē)的續(xù)航里程具有不良影響。對(duì)此，有必要基于復(fù)合材料對(duì)電池盒實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)，并增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)安全。

1 電池盒結(jié)構(gòu)概述

電池盒具有較大體積，為避免汽車(chē)車(chē)身內(nèi)的電池盒占據(jù)過(guò)多的內(nèi)部空間，通常在汽車(chē)地板上對(duì)電池盒進(jìn)行固定連接，并通過(guò)兩側(cè)縱邊梁對(duì)電池盒進(jìn)行防護(hù)。為最大化提高結(jié)構(gòu)效率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)制造成本的有效降低，可將電池盒具備的承載特點(diǎn)作為依據(jù)，基于復(fù)合材料對(duì)電池盒實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)，其盒體采用一體化成形設(shè)計(jì)，其盒蓋采用可拆卸設(shè)計(jì)[1]。盒蓋負(fù)責(zé)對(duì)電池進(jìn)行覆蓋保護(hù)，盒體對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有較高要求，對(duì)此，要對(duì)盒體加強(qiáng)剛度設(shè)計(jì)。

本文論述的復(fù)合材料一體化成形盒體與金屬盒體具有相同的凈空間，主要包括三個(gè)組成部分，即懸掛翻邊、底部以及側(cè)壁。其中，懸掛翻邊與側(cè)壁負(fù)責(zé)對(duì)盒底部相應(yīng)荷載進(jìn)行傳遞，采用復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)，與盒體相應(yīng)的各組成平面保持平行，能實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)纖維具備的剛度優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。盒底部負(fù)責(zé)對(duì)電池重量進(jìn)行承受，其厚度相對(duì)于長(zhǎng)度、寬度較小，可將其視為對(duì)均布荷載進(jìn)行承受的薄板，可參照薄板彎曲對(duì)其變形和應(yīng)力進(jìn)行處理[2]。因此，基于復(fù)合材料，對(duì)電池盒實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)相應(yīng)的面內(nèi)剛度設(shè)計(jì)以及彎曲剛度設(shè)計(jì)。

2 復(fù)合材料疊板剛度的確定

2.1 構(gòu)建疊層體系

增強(qiáng)纖維樹(shù)脂的力學(xué)特性呈現(xiàn)出各向異性，其疊層結(jié)構(gòu)，要將受力特點(diǎn)作為根據(jù)，對(duì)單層材料相應(yīng)的增強(qiáng)纖維以及基體材料進(jìn)行選擇，并確定其體積含量以及疊層層數(shù)，并對(duì)疊層相應(yīng)的各單層鋪層順序以及纖維方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)疊層體系的科學(xué)構(gòu)建[3]。分析電池以及相關(guān)輔助設(shè)備對(duì)電池盒盒體產(chǎn)生的作用力，可知電池盒對(duì)均布荷載進(jìn)行承受，為確保電池盒盒體具備相同于各向同性材料的承載能力，可對(duì)對(duì)稱(chēng)準(zhǔn)各向同性鋪層[0/±45/90]ms設(shè)計(jì)進(jìn)行采用，其中s是指對(duì)稱(chēng)鋪層，m是指鋪層組數(shù)。在該設(shè)計(jì)中，0°方向角相應(yīng)的鋪層負(fù)責(zé)對(duì)疊層板平面中作用于X軸的載荷進(jìn)行承受，±45°方向角相應(yīng)的鋪層負(fù)責(zé)對(duì)平面內(nèi)存在的剪切應(yīng)力進(jìn)行承受；90°方向角相應(yīng)的鋪層負(fù)責(zé)對(duì)平面內(nèi)作用于y軸的載荷進(jìn)行承受。在上述鋪層方式中，面內(nèi)剛度分布相同于各向同性擦料，且不存在拉彎狀態(tài)下的耦合效應(yīng)。上述設(shè)計(jì)能減少電池盒整體的最大應(yīng)力值、應(yīng)變值以及變形撓度。對(duì)鋪層層數(shù)進(jìn)行確定，要減少材料用量，并采用易于實(shí)現(xiàn)的工藝。鋪層總層數(shù)n=8m。

2.2 復(fù)合材料疊層板剛度設(shè)計(jì)

2.2.1 面內(nèi)剛度計(jì)算公式

依據(jù)相關(guān)力學(xué)理論，對(duì)[0/±45/90]ms鋪層方案進(jìn)行推導(dǎo)，可知在xy平面內(nèi)，面內(nèi)平均應(yīng)力N*與中面應(yīng)變(0)二者呈現(xiàn)出如下式所示的關(guān)系：

根據(jù)上述鋪層方案，可推導(dǎo)出面內(nèi)剛度系數(shù)A*與正軸剛度系數(shù)Q二者具有如下式所示的關(guān)系：

在上式中，1表示材料相應(yīng)的縱向彈性模量；2表示材料相應(yīng)的橫向彈性模量；12表示材料相應(yīng)的剪切模量；1表示材料相應(yīng)的縱向泊松比，2表示材料相應(yīng)的橫向泊松比。

2.2.2 彎曲剛度的計(jì)算公式

本文論述的鋪層方案屬于對(duì)稱(chēng)鋪層，其彎矩*與曲率具有如下式所示的關(guān)系：

為方便工藝制作，各單層對(duì)相同厚度進(jìn)行采用，且單層以偶數(shù)為總數(shù)。上式（6）中的彎曲剛度系數(shù)可采用如下式子表示：

在上式中，*表示疊層板相應(yīng)的彎曲剛度系數(shù)，表示各單層板相應(yīng)的厚度。

在上式中，表示第單層纖維相應(yīng)的方向角。

存在于彎曲剛度中的彎扭耦合系數(shù)為*16和*26。應(yīng)合理對(duì)鋪層層數(shù)進(jìn)行選擇，在允許范圍內(nèi)對(duì)彎扭耦合產(chǎn)生的變形進(jìn)行有效控制。

2.2.3 復(fù)合材料疊層層數(shù)優(yōu)化

對(duì)上述公式進(jìn)行推導(dǎo)，完成對(duì)各鋪層相應(yīng)角度設(shè)計(jì)，將復(fù)合材料相應(yīng)的力學(xué)工程參數(shù)1、2、、1，并結(jié)合總層數(shù)，可完成對(duì)疊層板相應(yīng)的面內(nèi)剛度系數(shù)A*以及彎曲剛度系數(shù)*的計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電池盒實(shí)際質(zhì)量的有效減小，并符合剛度要求，需對(duì)鋪層總數(shù)進(jìn)行合理確定，對(duì)此，以質(zhì)量最小構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其約束條件為彎曲剛度，優(yōu)化方程如下所示：

在上式中，表示電池盒展開(kāi)的實(shí)際面積；表示材料密度。

借助上述方程，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪層總數(shù)的初步確定。電池盒在層合板相應(yīng)的面內(nèi)剛度、彎曲剛度以及邊界約束等因素共同影響下，產(chǎn)生變形。對(duì)此，在確保符合彎曲剛度相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，要確保復(fù)合材料制作的電池盒產(chǎn)生的總體變形小于金屬制作的電池盒產(chǎn)生的總體變形。可通過(guò)直觀(guān)性較強(qiáng)的有限元數(shù)值分析法獲取其變形云圖。對(duì)于過(guò)大變形，可增加如下約束條件：使復(fù)合材料相應(yīng)的面內(nèi)剛度相對(duì)大于金屬材料相應(yīng)的面內(nèi)剛度，據(jù)此對(duì)鋪層總數(shù)進(jìn)行確定。

2.2.4 復(fù)合材料疊層板的強(qiáng)度校核

將單層板蔡-吳張量理論作為準(zhǔn)則，對(duì)復(fù)合材料相應(yīng)的強(qiáng)度失效進(jìn)行判斷。材料表面相應(yīng)的破壞具有如下準(zhǔn)則：

在上式中，F、F(,=1,2,6)表示所選復(fù)合材料相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)；σ表示各單層相應(yīng)的主軸應(yīng)力，可借助設(shè)計(jì)相應(yīng)的鋪層方案以及選用的復(fù)合材料所確定的疊層板相應(yīng)的載荷及剛度系數(shù)對(duì)σ進(jìn)行計(jì)算。還能通過(guò)有限元數(shù)值分析對(duì)σ進(jìn)行確定。表示強(qiáng)度比，即極限應(yīng)力與施加應(yīng)力二者之比，基于對(duì)材料誤差的考慮，可將取值控制在4以上。

3 復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)效果

表1 鋁鎂合金5083材料性能參數(shù)

為對(duì)復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)實(shí)際效果進(jìn)行分析，可對(duì)鋁鎂合金5083進(jìn)行選用，對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比分析。材料各項(xiàng)性能參數(shù)如表1所示。將設(shè)計(jì)目標(biāo)確定為復(fù)合材料相應(yīng)的彎曲變形與Q235鋼的彎曲變形相同，三種材料制作的電池盒各自的材料厚度以及質(zhì)量對(duì)比如表2所示。

表2 三種材料制作的電池盒的厚度與質(zhì)量對(duì)比

觀(guān)察表2可知，采用鋁鎂合金制作電池盒，其實(shí)際質(zhì)量比鋼板制作的電池盒質(zhì)量相對(duì)減輕了49.3%；復(fù)合材料T300/5208制作的電池盒，其實(shí)際質(zhì)量相對(duì)于鋼板制作的電池盒質(zhì)量減輕了67.6%，且相對(duì)于鋁鎂合金制作的電池盒質(zhì)量減輕了36%。因此，通過(guò)剛度等效設(shè)計(jì)，基于復(fù)合材料制作電池盒能有效減輕電池盒質(zhì)量，能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)整體質(zhì)量的有效減小。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于對(duì)電池盒實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)的具體要求，通過(guò)剛度等效法，可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。樹(shù)脂基一體化成形的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，無(wú)需實(shí)施焊接、沖壓，且無(wú)需防腐涂裝處理，能實(shí)現(xiàn)對(duì)制造成本的有效降低。對(duì)結(jié)構(gòu)一體化進(jìn)行設(shè)計(jì)，要對(duì)電池特殊的使用要求諸如電磁屏蔽以及溫度等進(jìn)行考慮，增強(qiáng)設(shè)計(jì)合理性?；趶?fù)合材料對(duì)電池盒實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)，剛度需求越大，則復(fù)合材料呈現(xiàn)出的輕量化優(yōu)勢(shì)越明顯。

[1] 趙曉昱,張樹(shù)仁.電動(dòng)車(chē)復(fù)合材料電池盒輕量化設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)機(jī)械工程,2018, 29(9):1044-1049.

[2] 汪佳農(nóng),趙曉昱.碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料電池箱的輕量化研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2016(12):99-102.

[3] 段端祥,趙曉昱.純電動(dòng)汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料電池箱體的鋪層設(shè)計(jì)研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2018(6).

Lightweight design of battery box based on composite materials

Li Shi

( Zhengzhou shenlan power technology co. LTD, Henan Zhengzhou 450000 )

In order to effectively reduce the actual weight of the electric vehicle body, the battery box can be designed in a lightweight way. Based on the in-depth analysis of the bearing characteristics of the battery box, combined with the principle of stiffness equivalence, the composite material is adopted to realize the effective replacement of metal materials. This paper briefly describes the structure of battery box, explores the lightweight design of battery box based on composite materials and its design effect, so as to provide reference for the lightweight design of battery box.

Composite materials; A battery pack; Lightweight design

U465

A

1671-7988(2019)09-54-03

U465

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1671-7988(2019)09-54-03

李師，工程師，就職于鄭州深瀾動(dòng)力科技有限公司，研究方向：化工、新能源。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.016