復(fù)合材料汽車(chē)蓄電池托盤(pán)輕量化設(shè)計(jì)

馬尚標(biāo)，邱 睿，周甘華，曹清林

（1.江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2.奇瑞新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002）

1 引言

隨著科技不斷發(fā)展，能源問(wèn)題和環(huán)境保護(hù)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要理念，也越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。汽車(chē)作為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ撸蔀楣?jié)能降耗的重點(diǎn)行業(yè)。有研究結(jié)果表明降低車(chē)身質(zhì)量是節(jié)能的首選[2-3]。因此，汽車(chē)零件的輕量化設(shè)計(jì)十分必要。

近年來(lái)，在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件上采用輕質(zhì)的復(fù)合材料替代金屬材料逐漸成為一種趨勢(shì)。熱塑性復(fù)合材料（FRTP）是[4-6]一種以熱塑性樹(shù)脂為基體、以纖維為增強(qiáng)的材料，與汽車(chē)傳統(tǒng)材料相比，熱塑性復(fù)合材料的密度較低，能夠降低整車(chē)的重量，它還具有沖擊韌性好、成型周期短、便于回收再利用[7-8]等優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來(lái)越多[9-11]：德國(guó)某公司的汽車(chē)前端模塊采用熱塑性長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝成型后，質(zhì)量相對(duì)于傳統(tǒng)材料的質(zhì)量減輕30%；Honda車(chē)型因其采用熱塑性玻璃纖維復(fù)合材料制作保險(xiǎn)杠橫梁，顯著的減輕了整體質(zhì)量并且綜合性能優(yōu)異而在美國(guó)的汽車(chē)市場(chǎng)名聲顯赫；德國(guó)和日本某汽車(chē)的前端支架采用FRTP，輕量化效果顯著。

汽車(chē)蓄電池托盤(pán)作為承載蓄電池的結(jié)構(gòu)件，它的輕量化設(shè)計(jì)也備受人們的關(guān)注。北京某公司的車(chē)型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，蓄電池托盤(pán)采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（LGF-PP）代替鋼性材料，產(chǎn)品性能可靠，減重效果明顯[12]，驗(yàn)證了FRTP材料在蓄電池托盤(pán)輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用的可行性。本設(shè)計(jì)以某新能源車(chē)型蓄電池托盤(pán)為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用價(jià)格更便宜的聚丙烯（PP）樹(shù)脂基短切玻纖增強(qiáng)FRTP材料（SFT-PP）代替鋼性材料；結(jié)合性能要求、成型工藝及裝配要求，對(duì)蓄電池托盤(pán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化；使用Solid-Works軟件建立托盤(pán)的幾何模型，使用Hyper Work軟件對(duì)托盤(pán)典型工況進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)FRTP蓄電池托盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和輕量化效果。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

2.1 鋼質(zhì)蓄電池托盤(pán)

某新能源車(chē)型中原蓄電池托盤(pán)采用厚度為2mm的DC01鋼板沖壓成型，托盤(pán)通過(guò)壓板、兩根拉桿和螺母與蓄電池固定，稱(chēng)為“捆綁式”連接方式[12]，蓄電池托盤(pán)的裝配關(guān)系，如圖1所示。鋼質(zhì)蓄電池托盤(pán)形狀為長(zhǎng)方形，如圖2所示。長(zhǎng)度方向上的吊耳安裝孔與拉桿尾部掛鉤連接，通過(guò)拉桿螺栓施加預(yù)緊力矩產(chǎn)生的軸向力來(lái)固定蓄電池；蓄電池托盤(pán)底面設(shè)置有凹槽和減重孔，托盤(pán)通過(guò)凹槽內(nèi)的4個(gè)螺栓孔與車(chē)身支架固定；寬度方向安裝3個(gè)限位器。

圖2 鋼質(zhì)托盤(pán)Fig.2 Steel Tray

2.2 短切玻纖FRTP蓄電池托盤(pán)

由于短切玻纖FRTP 材料模量（5.5GPa）遠(yuǎn)低于鋼性材料（210GPa），對(duì)蓄電池托盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。單純按照等效剛度設(shè)計(jì)原則[12]，整體增加蓄電池托盤(pán)的厚度（厚度大約為鋼質(zhì)托盤(pán)的3.8倍），會(huì)使托盤(pán)非常笨重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)托盤(pán)的輕量化。本設(shè)計(jì)在增加托盤(pán)整體厚度的基礎(chǔ)上，通過(guò)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)和主要承載區(qū)局部加厚的方法來(lái)滿(mǎn)足托盤(pán)安全使用的性能要求。FRTP蓄電池托盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從性能要求入手，同時(shí)考慮成型工藝和安裝要求，具體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 短切玻纖FRTP托盤(pán)Fig.3 Short-Cut Glass Fiber FRTP Tray

剛度要求層面：為兼顧托盤(pán)整體剛度和輕量化要求，將FRTP蓄電池托盤(pán)的整體厚度增加到3mm；為增加托盤(pán)四周邊緣的剛度，在托盤(pán)四周設(shè)計(jì)寬度為10mm的翻邊；為保證托盤(pán)底面的剛度，在托盤(pán)下底面設(shè)計(jì)寬3.5mm，高15mm加強(qiáng)筋，上底面設(shè)計(jì)寬2.8mm，高6mm的加強(qiáng)筋；托盤(pán)與支架連接處的螺栓孔應(yīng)力較大，將螺栓孔部位局部增厚至4mm；為提高托盤(pán)吊耳處的剛度，將吊耳的厚度增加到35mm，并在吊耳底面嵌入直徑為12mm的鋼制墊片。

安裝要求層面：為了便于托盤(pán)與限位器裝配，將原鋼質(zhì)托盤(pán)不同朝向的限位安裝孔統(tǒng)一翻轉(zhuǎn)至孔位朝上；蓄電池托盤(pán)的翻邊內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)限位凸臺(tái)，便于蓄電池的定位和固定；為防止蓄電池與托盤(pán)固定時(shí)拉桿軸向力太大造成FRTP 吊耳處破壞，將拉桿與FRTP托盤(pán)吊耳處的固定形式由掛鉤改為螺栓連接。

成型工藝層面：為滿(mǎn)足剛度要求，F(xiàn)RTP 吊耳處厚度較厚（35mm），成型時(shí)吊耳內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力集中而發(fā)生變形，因此將吊耳內(nèi)部掏空呈“藕芯”結(jié)構(gòu)（藕芯結(jié)構(gòu)并不是貫穿吊耳，掏空的厚度為31.5mm），通過(guò)螺栓孔周?chē)陌l(fā)散形加強(qiáng)筋提高剛度；在設(shè)計(jì)托盤(pán)底面加強(qiáng)筋時(shí)，為防止筋高太高給脫模帶來(lái)困難，將加強(qiáng)筋分布在托盤(pán)上下底面上，從而降低托盤(pán)底面單側(cè)筋高；為了方便成型后脫模，托盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3°的拔模斜度。

3 有限元建模及仿真

按照有限元分析步驟，首先建立托盤(pán)的幾何模型，對(duì)托盤(pán)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后檢查并修正網(wǎng)格質(zhì)量，再對(duì)劃分好的網(wǎng)格模型定義材料屬性、邊界條件及加載條件，就得到一個(gè)可靠精度的托盤(pán)有限元模型[13-14]，如圖4所示的兩種材料的有限元模型。本設(shè)計(jì)采用Solid Works 三維軟件建立托盤(pán)的幾何模型，再通過(guò)STEP格式將此模型導(dǎo)入Hyper Works有限元分析軟件。

3.1 幾何模型處理

劃分網(wǎng)格前，我們需要對(duì)模型進(jìn)行幾何清理以保證網(wǎng)格的質(zhì)量，托盤(pán)上表面的限位凸臺(tái)處有較小的倒圓角，在有限元分析中，這種較小的且對(duì)工況分析影響不大的倒圓角，會(huì)給接下來(lái)的網(wǎng)格劃分帶來(lái)不必要的麻煩，不僅會(huì)增加網(wǎng)格的夾克比，而且也降低了網(wǎng)格的質(zhì)量，影響到分析結(jié)果，因此，我們可以對(duì)這些倒圓角進(jìn)行簡(jiǎn)化的幾何處理，采用幾何面板里的刪除命令對(duì)這些倒圓角進(jìn)行刪除。如圖4所示支架的幾何清理。

圖4 托盤(pán)倒圓角的幾何清理Fig.4 Geometric Cleaning of Tray Fillet Corners

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的質(zhì)量、數(shù)量影響到分析結(jié)果的精度。考慮各種工況條件以及操作簡(jiǎn)便性，托盤(pán)的網(wǎng)格劃分采用四面體實(shí)體網(wǎng)格，考慮托盤(pán)的尺寸大小以及計(jì)算機(jī)的性能，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2mm，最小網(wǎng)格尺寸不低于0.5mm。劃分好后的鋼質(zhì)托盤(pán)共有21436個(gè)節(jié)點(diǎn)和61948個(gè)單元網(wǎng)格數(shù)，劃分好網(wǎng)格后的FRTP 托盤(pán)共有61260個(gè)節(jié)點(diǎn)和220342個(gè)單元網(wǎng)格數(shù)。兩種材料的有限元模型，如圖5所示。

圖5 兩種材料的托盤(pán)有限元模型Fig.5 Tray Finite Element Model of Two Kinds of Materials

支架、墊片均采用四面體網(wǎng)格劃分，托盤(pán)和支架之間的固定采用螺栓連接。本設(shè)計(jì)采用RBE2剛性單元來(lái)模擬螺栓連接，如圖6（a）所示；RBE2單元為剛性單元，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成剛體單元，主從節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有相對(duì)的位移，從節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間也沒(méi)有相對(duì)位移。本設(shè)計(jì)采用RBE3柔性單元來(lái)模擬質(zhì)心與托盤(pán)表面的連接，如圖6（b）所示，圖中點(diǎn)即為質(zhì)心：多個(gè)主節(jié)點(diǎn)與單個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成連接關(guān)系，主節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定從節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式。

圖6 兩種連接單元Fig.6 Two Kinds of Connecting Units

3.3 材料屬性定義

網(wǎng)格劃分好后，對(duì)零件賦予材料屬性，固定蓄電池托盤(pán)的兩根支架賦予鋼性材料，設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的托盤(pán)分別賦予鋼性材料和熱塑性短玻纖復(fù)合材料，墊片賦予鋼性材料。各種材料的屬性，如表1所示。

表1 兩種材料的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of Two Materials

3.4 工況載荷

蓄電池托盤(pán)的受力主要來(lái)自于捆綁的蓄電池，該車(chē)型中蓄電池的重量為13kG，為保障蓄電池安裝的可靠性，需要對(duì)蓄電池托盤(pán)在顛簸路面、急轉(zhuǎn)彎等典型工況下的受力和變形情況進(jìn)行分析，同時(shí)需要校核拉桿與吊耳連接處的強(qiáng)度。為模擬顛簸路面工況下蓄電池托盤(pán)的承載情況，將蓄電池托盤(pán)與支架螺栓連接，在垂直于托盤(pán)底面方向（Z軸方向）施加5倍蓄電池重力的面載荷，載荷施加情況，如圖7（a）所示。在急轉(zhuǎn)彎的情況下，蓄電池托盤(pán)除了受到蓄電池的重力外，還受到一個(gè)側(cè)向力的作用，因此在模擬側(cè)向拐彎工況時(shí)，需要同時(shí)施加重力（Z軸方向）和側(cè)向力（Y軸方向），托盤(pán)所受的側(cè)向力取2倍蓄電池重力。軟件模擬時(shí)將蓄電池托盤(pán)上底面的節(jié)點(diǎn)與托盤(pán)質(zhì)心進(jìn)行柔性連接，在質(zhì)心點(diǎn)處加載，載荷施加情況，如圖7（b）所示。在校核吊耳強(qiáng)度時(shí)，直接在托盤(pán)兩側(cè)吊耳與拉桿連接處施加垂直向上（Z軸方向）的拉伸載荷，加載情況，如圖7（c）所示。拉伸力的大小等于拉桿在預(yù)緊力矩作用下產(chǎn)生的軸向拉力。在實(shí)際應(yīng)用中，拉桿所受的擰緊力矩為3N/m，根據(jù)預(yù)緊力矩與軸向拉力之間的換算關(guān)系，計(jì)算得出軸向拉力為2500N[17]。典型工況下蓄電池托盤(pán)載荷施加情況，如表2所示。

圖7 蓄電池托盤(pán)加載示意圖Fig.7 Battery Tray Loading Diagram

表2 三種工況載荷的施加Tab.2 The Application of Three Operating Loads

4 仿真結(jié)果分析

4.1 顛簸工況

顛簸工況的應(yīng)變和應(yīng)力分布仿真結(jié)果，如圖8、圖9所示。

圖8 顛簸工況應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Bumpy Condition Strain Cloud

圖9 顛簸工況應(yīng)力云圖Fig.9 Bumpy Condition Stress Cloud

由應(yīng)變分布云圖8 可見(jiàn)，鋼質(zhì)托盤(pán)的最大應(yīng)變?yōu)?.04mm，F(xiàn)RTP托盤(pán)的最大應(yīng)變?yōu)?.09mm，兩種材料推盤(pán)在顛簸工況下變形很小，都表現(xiàn)出了良好的抗彎剛度。由應(yīng)力云圖9看出，兩種材料托盤(pán)的應(yīng)力云圖大體上呈對(duì)稱(chēng)分布，應(yīng)力主要集中在四個(gè)螺栓孔連接處。另外，鋼質(zhì)托盤(pán)最大的應(yīng)力為45.86MPa，小于鋼性材料的屈服強(qiáng)度，F(xiàn)RTP托盤(pán)的最大應(yīng)力為4.58MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱塑性玻纖的破壞強(qiáng)度。

4.2 側(cè)向拐彎工況

側(cè)向拐彎工況的應(yīng)變和應(yīng)力分布仿真結(jié)果，如圖10、圖11所示。從圖10的應(yīng)變分布云圖可見(jiàn)，兩種材料托盤(pán)都具有良好的側(cè)向剛度，變形很小（鋼質(zhì)托盤(pán)的最大應(yīng)變?yōu)?.01mm，F(xiàn)RTP托盤(pán)最大應(yīng)變?yōu)?.03mm）；兩種材料托盤(pán)的最大變形主要集中在受側(cè)向力的吊耳位置，沿著托盤(pán)寬度方向應(yīng)變量逐漸遞減。

圖10 側(cè)向拐彎應(yīng)變?cè)茍DFig.10 Lateral Bending Strain Cloud

圖11 側(cè)向拐彎應(yīng)力云圖Fig.11 Lateral Bending Stress Cloud

由圖11所示的托盤(pán)應(yīng)力分布云圖可見(jiàn)，鋼質(zhì)托盤(pán)的最大應(yīng)力為13.71MPa，F(xiàn)RTP托盤(pán)的最大應(yīng)力為1.26MPa，兩種材料托盤(pán)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服或破壞強(qiáng)度，在底盤(pán)螺栓連接孔周?chē)休^明顯的應(yīng)力集中。

4.3 蓄電池緊固吊耳強(qiáng)度校核

吊耳強(qiáng)度校核的應(yīng)變和應(yīng)力分布仿真結(jié)果，如圖12、圖13所示。從圖12中應(yīng)變?cè)茍D可以看出，兩種材料托盤(pán)的最大的應(yīng)變集中在托盤(pán)吊耳處，鋼質(zhì)托盤(pán)的應(yīng)變?yōu)?.59mm，玻纖托盤(pán)的應(yīng)變?yōu)?.42mm，應(yīng)變由吊耳處向托盤(pán)中間位置逐漸遞減。從圖13的應(yīng)力云圖可以看出，鋼質(zhì)托盤(pán)應(yīng)力最大為232.10N，主要集中在托盤(pán)兩側(cè)耳朵處，最大應(yīng)力小于鋼性材料的屈服強(qiáng)度。FRTP托盤(pán)中，最大應(yīng)力主要集中在托盤(pán)上表面的四個(gè)螺栓孔處，最大應(yīng)力為38.20MPa，說(shuō)明托盤(pán)底部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)改善了吊耳處的應(yīng)力集中。FRTP托盤(pán)吊耳處的應(yīng)力為35.72MPa，小于熱塑性玻纖材料的破壞強(qiáng)度。

圖12 吊耳強(qiáng)度校核應(yīng)變?cè)茍DFig.12 Hanger Strength Check Strain Cloud

圖13 吊耳強(qiáng)度校核應(yīng)力云圖Fig.13 Hanger Strength Check Stress Cloud

4.4 仿真結(jié)果對(duì)比

將垂直、側(cè)向工況以及吊耳強(qiáng)度校核的分析結(jié)果匯總，如表3所示。從表中應(yīng)力對(duì)比結(jié)果來(lái)看，三種載荷條件下FRTP托盤(pán)的安全系數(shù)均高于鋼質(zhì)托盤(pán)，尤其在側(cè)向拐彎工況下，F(xiàn)RTP托盤(pán)的安全系數(shù)是鋼質(zhì)托盤(pán)的安全系數(shù)的2.5倍，說(shuō)明FRTP托盤(pán)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；在應(yīng)變方面，三種載荷條件下FRTP托盤(pán)和鋼質(zhì)托盤(pán)的變形量都很小，滿(mǎn)足剛度設(shè)計(jì)要求；兩種材料托盤(pán)質(zhì)量對(duì)比可見(jiàn)，玻纖托盤(pán)質(zhì)量較鋼質(zhì)托盤(pán)降低了40%以上，輕量化效果顯著。綜上所述，本設(shè)計(jì)的短切玻纖FRTP材料托盤(pán)性能安全可靠，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表3 鋼質(zhì)托盤(pán)和短切玻纖FRTP托盤(pán)分析結(jié)果對(duì)比表Tab.3 Table of Comparison of Analysis Results of Steel Tray and Short-Cut Glass Fiber FRTP Tray

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用短切玻纖FRTP代替鋼性材料，結(jié)合剛度、安裝以及成型工藝等要求，對(duì)蓄電池托盤(pán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，得出以下結(jié)論：（1）通過(guò)兩種材料托盤(pán)的仿真結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)短切玻纖FRTP托盤(pán)的剛度和強(qiáng)度滿(mǎn)足性能要求且FRTP托盤(pán)的安全系數(shù)優(yōu)于鋼質(zhì)托盤(pán)，說(shuō)明FRTP托盤(pán)的性能安全可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；（2）短切玻纖FRTP托盤(pán)的質(zhì)量相對(duì)于鋼質(zhì)托盤(pán)的質(zhì)量降低了40%以上，輕量化效果顯著；（3）從節(jié)能環(huán)保的角度看，蓄電池托盤(pán)采用短切玻纖FRTP具有廣泛的應(yīng)用前景。