碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计

碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计 胡仁祥，周金宇 （江苏理工学院 常州市装备再制造工程重点实验室，江苏 常州 213001） 摘 要：碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等诸多优异性能，在汽车结构中得到了广泛的应用。利用Altair OptiStruct软件建立了电池壳体有限元模型，对汽车蓄电池壳体结构进行了优化设计。整个汽车蓄电池壳体优化过程包括三个阶段：概念设计阶段、系统设计阶段、详细设计阶段。首先，在概念设计阶段利用自由尺寸优化模块确定了铺层块的形状；然后，在系统设计阶段利用尺寸优化模块完成了铺层厚度的优化；最后，在详细设计阶段利用铺层顺序优化模块完成了铺层顺序的优化。优化结果表明，通过优化设计能减轻电池壳体的重量，减重比高达66%，优化效果明显。 关键词：复合材料；蓄电池壳体；有限元建模；优化设计 1 引言 碳纤维复合材料具有比强度大、可设计性强等优良性能，越来越受到国内外汽车行业的重视[1]。碳纤维复合材料的诸多优点决定了在汽车零件中将会获得获得越来越多的应用。 目前常用优化软件，如Ansys、Patran/Nastran、等能够对复合材料纤维角度和纤维厚度进行优化[2]，而OptiStruct软件不仅仅能够对复合材料纤维角度和纤维厚度进行优化，还能对铺层的顺序进行优化等，从而解决了很多复合材料优化设计的难题。 以汽车蓄电池壳体作为研究对象，采用碳纤维复合材料替代金属材料，利用HyperMesh软件创建汽车蓄电池壳体模型，然后用OptiStruct软件对壳体结构进行了优化设计。电池壳体优化过程包括三个阶段：概念设计阶段、系统设计阶段、详细设计阶段。通过优化后与优化前的结果对比，优化后明显减小了汽车蓄电池壳体的质量，实现了轻量化的目标。 2 电池壳体有限元模型的建立 在对汽车蓄电池壳体进行优化设计之前，需要建立电池壳体的有限元模型并对其进行模态和静力分析，得到电池壳体优化前质量、位移。 2.1 有限元模型 电池壳体由壳体底板、壳体筋条以及壳体其他部分构成，整个电池壳体都采用碳纤维复合材料。用壳单元来代替实体进行分析。首先用HyperMesh对电池实体进行抽中面，得到一个壳体，再对壳体进行网格划分，电池壳体结构的网格总数为326230个，底板的网格数量为131960个，筋条的网格数量为39380个。创建材料和属性，实现电池壳体的赋材。利用HyperLaminate对整个电池壳体进行铺层。再创建Load Collector和Load Step，建立约束和载荷，进行模态和静力分析。电池壳体模型主要分为三个部分：壳体底板，壳体筋条以及壳体其他部分，如图1所示。 图1 电池壳体有限元模型 Fig.1 Finite Element Model of the Battery Shell 2.2 载荷工况 此电池壳体是为了放置蓄电池而设计的。筋条上需承受蓄电池的重量，为了简化将力均匀分布在筋条的各个孔上，利用HyperMesh软件创建质心，用柔性连接（rbe3）将孔上的各个载荷点都集中在质心点上。因此，在分析工况时只需将集中力加载在质心上。此电池壳体应用于纯电动汽车，该汽车主要在城镇路面上行驶，在行驶过程中可能遇到的三种工况，即弯曲工况分析、转弯工况分析、垂直极限工况分析。下面针对这三种工况，对其进行分析。 2.2.1 弯曲工况分析 该工况主要是用来模拟汽车在静止或者是在平整的路面上行驶时结构的变形情况。在该工况下，电池壳体主要受到的载荷是电池模块在重力加速度的作用下所受到的重力。公式表示为： 式中：F—重力载荷； m—电池模块质量； g=9.8N/m2。 电池模块重量为128kg，因此电池壳体所受到的重力载荷为1254.4N。弯曲工况在模型上具体描述为：在电池壳体8个连接部位施加固定约束，在Z负方向的质心点上施加载荷，集中力大小为1254.4N。得到的XYZ的合力方向位移云图，如图2所示。 图2 弯曲工况位移云图 Fig.2 Displacement Contour of Bending Condition 2.2.2 转弯工况分析 该工况主要是由汽车在进行高速转弯时，车身因离心力的作用而产生的侧向载荷产生的。同样的，电池壳体也属于汽车的一部分，因而电池壳体也承受一定的侧向载荷，表示为： 式中：F1—重力载荷； F2—离心力载荷； m—电池整备质量； g=9.8N/m2）。 工况中的重力载荷为1254.4N，离心力载荷为627.2N。转弯工况在模型上具体描述为：在电池壳体8个连接部位施加固定约束，向Z负方向的质心点上施加重力载荷，集中力大小为1254.4N。向Y正方向的质心点上施加离心力载荷，大小为627.2N。得到的XYZ的合力方向位移云图，如图3所示。 图3 转弯工况位移云图 Fig.3 Displacement Contour of Turning Condition 2.2.3 垂直极限工况分析 该工况是模拟汽车在凹凸不平的道路上行驶时，车身发生垂直方向的颠簸而产生垂直方向的载荷，引起结构变形的情况。在垂直极限工况下，电池壳体需承受两倍的重力载荷，表示为：式中：F—垂直方向载荷；m—电池整备质量； g=9.8N/m2。 工况中，两倍的重力载荷为2508.8N。垂直极限工况在模型上具体描述为：在电池壳体8个连接部位施加固定约束，在Z负方向的质心点上施加重力载荷，集中力大小为2508.8N。得到的XYZ的合力方向位移云图，如图4所示。 图4 垂直极限工况位移云图 Fig.4 Displacement Contour of Vertical Limiting Condition 3 电池壳体的优化过程 OptiStruct软件是以有限元为基础的优化工具，提供了拓扑优化、形貌优化、自由尺寸优化等优化方法[3]。通过对结构优化变量、优化约束、优化目标以及制造约束的设定，使得优化变得更加有效。新型复合材料优化设计分为三个阶段：概念设计阶段，系统设计阶段，详细设计阶段，分别采用自由尺寸优化，尺寸优化，铺层顺序优化。复合材料电池壳体被分为三个部分：壳体底板、壳体筋条、壳体其他部分。这三部分都用碳纤维铺了4层，每层0.5mm。这电池壳体由SMEAR超级层组成，超级层是指将同角度的层铺在一起，这样会降低模型的总铺层数。超级层一共分为4种角度：0°、±45°、90°。 3.1 自由尺寸优化（概念设计阶段） 自由尺寸优化的基本思想是找出板壳结构上每个区域（单元）的最佳厚度[3]。 3.1.1 自由尺寸优化问题描述 在满足电池壳体结构体积分数＜0.3的情况下，使得电池壳体的加权柔度最小；优化变量：每个单元的超级层厚度。 3.1.2 自由尺寸优化问题的数学模型 数学模型描述为：选择一组（N个）可变化的设计变量x=｛x1，x2，…，xN｝，在满足式（1）约束条件下，使目标函数 f（x）最小。 式中—第j个响应约束及其最大值；M—所有约束条件的个数；xik—第k个单元第i层的厚度；—第k个单元的第i层厚度的最小值和最大值；Np—超级层的层数；NE—设计区域单元的个数。 自由尺寸优化只需考虑全局的响应和制造约束，优化过程中利用软件中free-size模块，找到每个角度超级层的每个单元的厚度，最终以铺层块的方式给出每层单元的厚度。如铺了4层，经过自由尺寸优化之后，就会得出16层的铺层块，每层的铺层块都是不一样的。自由尺寸优化在设置4个方向的超级层之后，进行优化，电池壳体的总厚度和0°、±45°和90°超级层厚度分布，如图5所示。 图5 上三组图中自左上角逆时针分别为壳体壳体总厚度，45，90，0 度超级层厚度分布 Fig.5 Thickness Distribution of Other Parts of the Shell Anti-Clockwise from Left Upper Corner：Total Thickness and 45，90，0 Degree Super Plies in Three Groups of Photos 进行自由尺寸优化之后，电池壳体的每一层的形状以及厚度都已确定，电池壳体的质量也由17.71kg下降到了14.14kg，自由尺寸优化在优化过程中决定了铺层的基本结构。 3.2 尺寸优化（系统设计阶段） 尺寸优化的基本思想是对有限元模型的各种参数（如板的厚度、梁截面尺寸和材料属性等）进行优化。优化后可以得到每种形状的具体厚度，再除以实际铺层的厚度，那么就可以得到每种角度每种形状的铺层数目[3]。 3.2.1 尺寸优化问题描述 尺寸优化的目标是在满足电池壳体变形和赫兹的情况下，使得电池壳体的质量最小；优化变量是每种形状超级层厚度。 3.2.2 尺寸优化的数学模型 约束条件：0＜disp_a＜3 Modal_1＞20 式中：T_Total—自由尺寸优化后的厚度；disp—给定的节点a的 位移；Modal_1—一阶模态。 尺寸优化阶段需要考虑所有的设计响应和制造约束，优化后，电池壳体的总厚度和0°、±45°和90°超级层厚度分布，如图6所示。 图6 上三组图中自左上角逆时针分别为壳体其他部分总厚度，45，90，0 度超级层厚度分布 Fig.6 Thickness Distribution of Other Parts of the Shell Anti-Clockwise from Left Upper Corner：Total Thickness and 45，90，0 Degree Super Plies in Three Groups of Photos 尺寸优化后，壳体已被优化为每层厚度为0.1mm的层合板结构，质量由自由尺寸阶段的14.14kg下降到了尺寸优化后的5.877kg，尺寸优化质量下降明显。 3.3 铺层顺序优化（详细设计阶段） 铺层顺序优化的基本思想是在不增加材料重量的情况下，通过更改电池壳体铺层顺序，使电池壳体的性能提高。 3.3.1 优化设计的问题描述 铺层顺序优化的目的是为了满足详细的制造约束，通过铺层顺序的不同组合，选择最佳的铺层方式，从而对电池壳体性能做最后的设置。 3.3.2 铺层的层数 对于电池壳体的单层板而言，相同铺层角度的单层厚度是相等的，t=0.1mm。再依据尺寸优化得出的结果，每个角度铺层厚 式中：Ni—每个角度的铺层层数。 3.3.3 铺层顺序的优化设置 从制造的工艺过程进行考虑，该复合材料电池壳体需要满足的原则有：①为了避免最后的铺层结果在同一方向，设置同一方向的层数不得多于4层；②从抗冲击力的角度出发，每层相邻的角度不大于45度；③电池壳体外表面应选用±45度进行铺层。此阶段需考虑所有的状态响应和制造约束，只需在铺层顺序优化阶段修改制造约束，优化运行后就可以得到最终的铺层结果。电池