汽車充電機支架復合材料結構設計與分析

劉梁 邱睿 朱浩 曹清林

摘 要：為了降低充電機支架的重量，采用18層碳纖維復合材料片材，設置為兩組、鋪層角度分別為90°、45°、0°、-45°、0°、90°、45°、0°、-45°，壓制成型的支架結構替代原鋁制件支架結構。分析了支架在顛簸、剎車、左急轉彎、右急轉彎、左急轉彎及剎車聯合五種工況下，支架的應力、應變，結果表明，碳纖維復合材料支架的應變在各工況下均比原鋁制件小，最大減小達38.64%; 應力最大值在顛簸、左急轉彎、右急轉彎三種工況下均比原鋁制件小，最大減小達40.87%; 在剎車以及左急轉彎與剎車聯合工況下，復合材料件的應力超過了原鋁制件的應力，最大超過比值4.28%，但最大應力仍小于材料的極限強度。設計的碳纖維復合材料支架重量0.277Kg，與原鋁制件相比，減重達27.49%。

關鍵詞：碳纖維復合材料;充電機支架;應力;應變

輕量化是車輛設計的目標之一，零部件的輕量化是達到整車減重的關鍵。一般有兩種方法實現汽車零件的輕量化，一是零件結構的優化，二是采用較輕的材料。

無論是原先采用的金屬材料還是替代金屬材料采用的較輕的材料，零件結構的優化一直是重要的研究內容。汽車電瓶箱支架、發動機底護板以及發動機罩板等，采用拓撲形貌聯合優化的方式對其進行結構優化設計[1-4]，或采用自由尺寸優化方法對蓄電池殼體和驅動橋殼進行零件結構優化設計[5-6]，均可以降低零件重量。

采用輕質材料是實現汽車零件輕量化的重要手段之一，又分為金屬基和非金屬基兩大類，金屬基材料如鋁合金[7]、鎂合金[8]等，非金屬基材料如塑料、纖維復合材料等。目前，纖維復合材料在汽車零件輕量化應用中起著重要作用。采用碳纖維和玻璃纖維編織而成的混雜纖維復合材料替代汽車頂蓋中橫梁的原鋼制材料件[9]，不僅滿足力學性能要求，而且實現了零件的輕量化。采用玻璃纖維增強聚丙烯材料制作汽車底護板[10]，碳纖維復合材料電池箱等零件[11]，均有利于車身整體的輕量化。

本研究的輕量化設計對象為充電機支架，原采用的是鋁質材料，現考慮采用碳纖維復合材料替代，以減輕其重量。

1 充電機支架結構及裝配關系

圖1（a）所示是某汽車充電機支架安裝在汽車中的結構，其中，1和4是橫梁，2是充電機支架，3是充電機，5是螺栓。充電機支架2與橫梁1、4通過點焊連接，充電機3由螺栓5連接固定在支架2中。

在已有的結構中，充電機支架2是鋁合金材料，厚度2mm，重量0.382Kg，圖1（b）所示為鋁合金充電機支架結構，有兩側面、底面及側邊和折彎處，整體呈“U”字形結構。

2 復合材料結構支架

為了實現輕量化目的，采用碳纖維復合材料替代原充電機支架金屬材料。由于支架中安放充電機，實際使用情況表明，2mm厚金屬材料支架一般不會發生強度失效，只有可能會發生剛度失效，因此，用碳纖維復合材料替代原有金屬材料結構時，按照等剛度要求設計，即在同種工況下，所設計的復合材料充電機支架的剛度同等于或優于金屬材料支架剛度。

現選用0.15mm厚連續碳纖維熱固性復合材料片材為原料，材料屬性編號為Mat8，經試算，18層原料板壓制成型后厚度為2.7mm左右時，可以實現原有金屬材料結構的剛度和強度。圖2（a）是鋪層方式，鋪層角度90°、45°、0°、-45°，并以90°、45°、0°、-45°、0°、90°、45°、0°、-45°為一組，依次鋪放18層，即[90/45/0/-45/0/90/45/0/-45]S。

圖2（b）是設計出的碳纖維材料支架三維結構，由于采用連續碳纖維材料，為了減少切斷纖維，避免影響其連續性，支架整體結構上除了必要的螺栓孔以及線束孔，沒有設計其它減重空隙（孔）。由于是碳纖維復合材料結構件，與其它金屬件之間無法采用點焊方式連接，因此，在支架的側面上設計了六個螺栓通孔，采用螺栓連接的方式與橫梁1、4相連接，使得充電機支架能夠保持固定的位置。另外，在一個側面上設計了兩個線束孔，底面上四個螺栓通孔，連接充電機。

3 有限元模型及工況

3.1 有限元模型

為了對支架進行仿真分析，需先建立其有限元模型，再進行各工況下的仿真分析，得到不同材料支架在不同工況下的應力和應變。

充電機支架結構為薄壁，并可近似為等厚零件，可以利用殼單元來替代實體進行分析。首先將圖1（b）和圖2（b）所示零件模型轉換成IGS格式文件，導入Hypermesh軟件，對實體抽取中面，得到片體，再對片體進行網格劃分，圖3為兩種材料支架進行網格劃分后的有限元模型，鋁制件的網格數及節點數分別為4142個和4051個，碳纖維復合材料制件的網格數和節點數分別為3633個和3813個。為了更好地模擬邊界條件，采用RBE2剛性單元來模擬充電機支架與其它部件之間的螺栓連接關系，材料屬性以及支架厚度如表1所示。

3.2 載荷工況

設充電機重量均勻分布于支架底面，利用Hypermesh軟件求取支架的質心S點的位置，用RBE3建立質點S與支架底面上任意一個節點Pi之間的柔性連接，如圖4所示，這樣在分析各個工況情況下的支架受力，只需要在其底面質心S點上施加外載荷。

選取汽車在道路上行駛可能遇到的五種工況，即顛簸、剎車、左急轉彎、右急轉彎、左急轉彎及剎車聯合，通過這些工況來分析充電機支架的靜態特性。在圖4中，以支架質心S點為坐標原點O，建立坐標系xyz-O。五種工況情況下施加載荷作用點為S點，根據工況不同，確定沿x、y、z施加載荷的方向和大小，具體如表2所示，載荷大小為充電機重量的倍數，正、負號表示施加載荷的方向。圖4所示為充電機支架剎車載荷工況情況下，施加的載荷Fy和Fz。

4 有限元分析

4.1 顛簸工況

該工況模擬汽車在道路上行駛時，發生顛簸引起車身在垂直方向上的振動變形。在顛簸工況下，設充電機支架承受充電機四倍重量載荷，即，Fz—Z方向載荷，m—充電機質量5.2kg，g=9.8N/m2。支架上與其它部件連接的四個螺栓孔施加固定約束，在質心S點、Z方向上施加載荷-203.84N，得到金屬材質與復合材料充電機支架的應力、應變云圖如圖5所示。

由圖5，兩種材料情況下最大應變區域在支架底面的兩側邊中間對稱位置，最大應力集中分布在支架的折彎處。鋁制件和碳纖維復合材料支架的最大應力分別為32.35和19.55MPa，均未超過各自材料的強度極限（表1），且后者比前者最大應力降低了39.57%。鋁制件和碳纖維復合材料支架的最大應變位移分別為0.5698和0.4243mm，后者比前者最大應變值降低了25.54%。由于復合材料支架的最大應力沒有超過材料的強度極限，且其最大應力和最大應變都小于原先鋁制件的最大應力和最大應變，說明復合材料支架滿足顛簸工況設計要求。

4.2剎車工況

該工況模擬汽車在道路上行駛時，前方發生緊急情況導致汽車緊急制動而引起的車身結構件變形。在剎車工況下，充電機支架主要承受兩個方向的載荷，即—Y方向載荷。支架上與其他部件連接的四個螺栓孔施加固定約束，在質點S點、Z方向上施加重力載荷-50.96N，Y方向上施加制動載荷-50.96N，得到金屬材質與復合材料充電機支架的應力、應變云圖如圖6所示。

由圖6，金屬與復合材料的最大應變區域都在支架底面的兩側邊靠近螺栓孔處，最大應力在支架與橫梁的螺栓連接孔處，且在支架折彎處有應力集中。鋁制件與碳纖維復合材料制件的最大應力分別為32.92和33.84MPa，兩者都未超過材料的強度極限，后者比前者最大應力值增加了2.79%。鋁制件與碳纖維復合材料支架的最大應變位移分別為0.2193和0.2019mm，后者比前者最大應變位移降低了7.93%。由于復合材料支架的最大應力小于材料的強度極限，且最大應變小于原鋁制件支架的最大應變，滿足等剛度設計要求，說明復合材料支架滿足剎車工況設計要求。

4.3 向左急轉彎工況

該工況主要是模擬汽車在道路上行駛時，前方發生緊急情況導致汽車向左急轉彎而引起的車身結構件變形。在左急轉彎工況下，充電機支架需要承受兩個方向的載荷，即—X方向載荷。支架上與其他部件連接的四個螺栓孔施加固定約束，在質心S點的Z方向上施加重力載荷-50.96N，X方向上施加轉彎載荷-50.96N，得到的金屬材質與復合材料的充電機支架的應力、應變云圖如圖7所示。

由圖7，金屬材質與復合材料的充電機支架最大應變區域集中在支架底面的側邊中間位置處，而最大應力集中分布在支架底面側邊螺栓孔以及折彎處。鋁制件支架與碳纖維復合材料支架的最大應力分別為12.02和7.109MPa，均未超過材料的強度極限，且后者比前者最大應力值降低了40.87%。鋁制件支架與碳纖維復合材料支架的最大應變位移為分別為0.2179和0.1337mm，后者比前者最大應變位移降低了38.64%。由于復合材料支架的最大應力沒有超過材料的強度極限，且其最大應變位移小于原鋁制件的最大應變值，說明該復合材料支架完全滿足左急轉彎工況設計要求。

4.4 向右急轉彎工況

該工況主要是模擬汽車在道路上行駛時，前方發生緊急情況導致汽車向右急轉彎而引起的車身結構件變形。在右急轉彎工況下，充電機支架需要承受兩個方向的載荷，即。支架上與其他部件連接的四個螺栓孔施加固定約束，在質心S點的Z方向上施加重力載荷-50.96N，X方向上施加轉彎載荷50.96N，得到金屬材質與復合材料的充電機支架的應力、應變云圖如圖8所示。

由圖8，鋁制件與碳纖維復合材料制件的最大應變區域都集中在支架底面的側邊中間位置處，而應力集中分布在支架底面側邊螺栓孔以及折彎處。鋁制件與碳纖維復合材料制件的最大應力分別為12.12和7.477MPa，兩者都沒有超過材料的強度極限，且后者比前者在最大應力值上降低了38.31%;鋁制件與碳纖維復合材料制件的最大應變位移分別為0.2178和0.1345MPa，后者比前者最大應變位移降低了38.25%。由于復合材料支架的最大應力未超過材料的強度極限，且其最大應變位移小于原鋁制件的最大應變值，說明該復合材料支架完全滿足向右急轉彎工況設計要求。

4.5 向左急轉彎和剎車聯合工況

該工況主要是模擬汽車在道路上行駛時，前方發生緊急情況導致汽車向左急轉彎并剎車而引起的車身結構件變形。在此工況下，充電機支架需要承受三個方向的載荷，即。支架上與其他部件連接的四個螺栓孔施加固定約束，在質心S點的Z方向上施加重力載荷-101.92N，X方向上施加轉彎載荷-50.96N ，Y方向上施加轉彎載荷-50.96N。得到的金屬材質與復合材料的充電機支架的應力、應變云圖如圖9所示。

由圖9，兩種材料制件的最大應變區域都集中在支架底面的側邊中間位置，而最大應力集中分布在支架與橫梁螺栓連接處，且在折彎處也有應力集中。鋁制件和碳纖維復合材料制件的最大應力分別為34.35和35.82MPa，兩者都沒有超過材料的強度極限，但后者比前者最大應力值增加了4.28%;鋁制件和碳纖維復合材料制件的最大應變位移分別為0.3897和0.2834MPa，后者比前者最大應變位移上降低了27.28%。由于復合材料支架的最大應力遠小于材料的強度極限，且其最大應變位移小于原鋁制件的最大應變值，說明該復合材料支架完全滿足該工況的設計要求。

五種工況情況下，鋁制件與碳纖維復合材料件支架的應力與應變值分別如表3和表4所示，復合材料件支架的應變在各工況下均比原鋁制件小，在剎車以及左急轉彎與剎車聯合工況下，復合材料件的應力超過了原鋁制件的應力，但最大應力仍小于材料的極限強度。

上述設計的碳纖維復合材料件質量0.277Kg，與鋁制件相比，減重效果達27.49%。

5 結語

通過碳纖維復合材料替代原鋁制件充電機支架金屬材料，在滿足設計要求的前提下，充電機支架的重量從原先的0.382Kg減少到0.277Kg，減重效果為27.49%，體現了復合材料比強度大，比模量高的特點。

通過建立的充電機支架有限元模型，進行了顛簸、剎車、左急轉彎、右急轉彎、左急轉彎和剎車聯合五種工況的靜力學分析。由各工況下的應力應變云圖，碳纖維復合材料支架的應變最大值在各工況下均比原鋁制件小，最大減小達38.64%，應力最大值在顛簸、左急轉彎、右急轉彎三種工況下均比原鋁制件小，最大減小達40.87%，但在剎車以及左急轉彎與剎車聯合工況下，復合材料件的最大應力超過了原鋁制件的最大應力，超過值最大達4.28%，但最大應力仍小于材料的極限強度，滿足設計要求。

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作者簡介：劉梁（1995-），男，江蘇人，碩士，主要研究方向：裝備輕量化設計與制造。