碳纖維增強復合材料電池箱輕量化設計
［摘要］ 對某電動汽車的電池箱進行輕量化設計。因上箱體主要作為密封件，故采用結構優化的輕量化方案，而下箱體主要作為承載件，因而采用碳纖維替換原始材料的輕量化方案。在碳纖維結構下箱體的輕量化設計中引入了多目標優化算法。仿真結果表明，所采用的輕量化方案在減輕質量的同時，還有效提高了電池箱的剛度和模態頻率。
關鍵詞：電動汽車；電池箱；輕量化設計；碳纖維復合材料；多目標優化前言
汽車已經向“輕量化、電動化、智能化”轉型，2017年電動汽車的總銷量約為333萬輛，比2016年增長26.0%。盡管電動汽車的銷量飛速增長，但其續航里程一直飽受詬病，甚至引發“里程焦慮”。在當前的電池技術背景下，提升電動汽車續航里程的技術主要依賴車輛結構的輕量化。
汽車輕量化主要從結構優化、新材料利用和先進制造工藝運用3個方面著手。結構優化已經相對成熟，因此要進行更深層次的輕量化設計，新材料利用成為主要選擇。碳纖維增強復合材料憑借密度低、強度高、剛度大等優點，已在車身結構中大量應用。
本文中對某車型的電池箱進行輕量化設計。所涉及的優化技術主要包括：形貌優化、尺寸優化、自由尺寸優化、多目標優化和順序優化等。在電池箱輕量化過程中，提出了評價電池箱結構安全性的擠壓工況，而且應用多種優化方案，實現了電池箱的輕量化目標。
1 電池箱有限元模型建立
所研究的電池箱是根據某車型的實體模型測繪得到的。其外觀尺寸為1600 mm×850 mm×175 mm；單個電池模組的尺寸為375 mm×270 mm×175 mm，共計10個電池模組。上箱體厚度為3 mm，下箱體側板厚度為4 mm，下箱體底板和吊耳的厚度為5 mm。原電池箱采用的材料是6082-T6鋁合金，其密度為2.7×10-9 t／mm，泊松比為0.32，彈性模量為7.2×104 MPa，屈服強度為285 MPa，抗拉強度為355 MPa。
為建模方便，本文中不考慮電池系統的線束和其他附件，將電池模組和模組固定結構合并考慮。在電池箱的仿真計算中，電池模組不發生變形，但須確保質量分布和載荷傳遞路徑與實際相符，因此電池模組選擇六面體網格模擬，平均單元尺寸為15 mm。上下箱體采用殼單元模型，平均單元尺寸為5 mm。所建立的電池箱有限元模型如圖1所示，電池箱結構各部件的質量分布如表1所示。
圖1 電池箱有限元模型
表1 電池箱各部件質量分布
2 仿真工況確定與性能分析
2.1 仿真工況確定
綜合電動汽車電池箱的研究現狀、電池箱實際工作載荷和企業要求，確定如表2所示的典型工況。
2.2 原電池箱性能分析
2.2.1 模態分析
電池箱的前4階模態頻率如表3所示，第1階模態頻率為20.67 Hz，低于設計要求的30 Hz。
2.2.2 隨機振動分析
X、Y、Z三向的隨機振動參數按照GB／T 31467.3—2015中表2、表4、表5執行。三向的1σ應力云圖分別如圖2～圖4所示。對應的3σ應力分別為30.1、81.6和196.0 MPa，均小于材料的屈服強度。
表2 典型仿真工況
表3 原電池箱前4階模態頻率
圖2 X向激勵下1σ應力云圖
圖3 Y向激勵下1σ應力云圖
2.2.3 擠壓分析
按照表2說明的擠壓工況對電池箱進行分析，得到的橫向擠壓位移云圖如圖5所示，應力云圖如圖6所示，其中大位移為23.76 mm，大應力為264.1 MPa。縱向擠壓工況下的位移云圖如圖7所示，應力云圖如圖8所示，其中大位移為10.39 mm，大應力為238.0 MPa。
圖4 Z向激勵下1σ應力云圖
圖5 橫向擠壓工況位移云圖
圖6 橫向擠壓工況應力云圖
圖7 縱向擠壓工況位移云圖
圖8 縱向擠壓工況應力云圖
3 上箱體優化
上箱體不是主要承載部件，考慮成本因素繼續采用鋁合金材料。對上箱體采用形貌優化和尺寸優化方法進行輕量化設計。
3.1 上箱體形貌優化
模態分析中發現，電池箱的第1階模態過小，且第1階振型主要集中在上箱體，因此對上箱體進行形貌優化來提高電池箱的模態頻率。加強筋起筋方向選為垂直箱體表面向上，小寬度設為30 mm，起筋高度為10 mm，并對加強筋施加前后左右對稱的約束。
形貌優化結果如圖9所示。形貌優化只是給設計人員提供概念指導，其結果并不能直接用于加工制造，必須對其優化結果進行形狀修整。依據形貌優化給出的結果，修整后的電池箱上箱體形貌如圖10所示。
圖9 形貌優化結果
圖10 修整后上箱體形貌結果
3.2 上箱體尺寸優化
原始上箱體的厚度為3 mm，利用尺寸優化確定佳的上箱體厚度。尺寸優化的設計變量為上箱體的所有單元，約束為第1階模態頻率高于30 Hz，優化目標為質量小。經過8步迭代后，得到上箱體的佳厚度為1.85 mm，考慮到加工制造工藝，終選取上箱體厚度為2 mm。
4 下箱體優化
下箱體屬于主要承載部件，為對其進行輕量化設計和探索復合材料優化技術，采用碳纖維復合材料替換原鋁合金材料的優化方案。
4.1 碳纖維復合材料力學試驗
碳纖維復合材料屬于正交各向異性材料，將其應用在汽車結構上可極大降低汽車質量，但其力學參數受多種因素影響，例如加工工藝、絲束規格等。因此為獲取準確的力學參數，參照美國材料試驗協會相關力學性能測試標準完成試驗，獲取的力學參數如表4所示。試驗設備如圖11所示，試驗樣件中90°纖維的壓縮試件如圖12所示。
表4 碳纖維力學參數 圖11 力學參數試驗設備
4.2 下箱體自由尺寸優化
復合材料的鋪層方式和鋪層角度的選取對結構性能具有一定影響，本文中選擇常見的4種鋪層角度，分別為0°、＋45°、-45°和90°，鋪層方式采用對稱鋪層。自由尺寸優化中超級層厚度為3 mm，為得到良好的優化結果，設定優化結果中小區域尺寸為50 mm，＋45°和-45°具有相同的分布形狀，下箱體大厚度為20 mm，小厚度為3 mm。自由尺寸優化要素如表5所示。
圖12 90°纖維壓縮試件
表5 自由尺寸優化要素
根據以上的設計要素提交Optistruct進行求解，經過25步迭代之后，優化結果收斂，得到的復合材料厚度分布如圖13所示。
圖13 自由尺寸優化所得厚度分布
針對不同角度的厚度分布，Optistruct會用不同形狀的4個單層擬合自由尺寸優化所得到的結果。初始鋪層共包含4種角度，經過自由尺寸優化共產生16個鋪層。由于篇幅所限，這里僅將90°層的第3個形狀進行展示，如圖14所示。
4.3 下箱體尺寸優化
雖然在自由尺寸優化過程中控制了碎片尺寸，但是從圖14中可以看出，所得形狀是不規則的。所以尺寸優化的第1步需要對自由尺寸優化得到的形狀逐個修整。90°層第3個形狀修整后的結果如圖15所示。
尺寸優化的目的是給多目標優化提供合理的設計變量初值。因此在尺寸優化中應考慮碳纖維的單層厚度，本文所采用的碳纖維單層厚度為0.25 mm，尺寸優化要素如表6所示。
圖14 90°層第3形狀
圖15 修整后90°層第3形狀
表6 尺寸優化要素
4.4 下箱體多目標優化
將電池箱的模態頻率和質量作為關注目標，選取典型工況響應作為約束，對電池箱進行多目標優化。取碳纖維疲勞強度為600 MPa，所涉及的優化要素如表7所示。
多目標優化過程中需要多次求解典型工況響應。為縮短優化時間，典型工況的響應通過近似模型得到。近似模型建立過程如下：先利用優拉丁超立方的方法生成150組樣本點；然后提取各個樣本的典型工況響應，建立2階響應面近似模型；后對精度較低的近似模型采用增加樣本點的方法改善精度，保證所有近似模型的R2值均在0.9以上。
在Isight軟件中搭建多目標優化流程，采用NSGA-II算法對多目標優化問題進行求解，得到的帕累托解集如圖16所示。
表7 多目標優化要素
圖16 多目標優化的帕累托解集
表8 多目標優化結果
結合實際要求，選取質量23 kg（下箱體和吊耳的質量）和第1階模態頻率30 Hz作為多目標優化的結果，對應設計變量取值如表8所示。表中編號的第1個數字代表鋪層結構，本文中只有一種對稱鋪層結構，所以均為1；第2個數字代表鋪層角度，1代表0°鋪層、2代表＋45°鋪層、3代表-45°鋪層、4代表90°鋪層；第3個數字代表對應鋪層角度的鋪層形狀，1為第1種形狀，2為第2種形狀，以此類推；后兩位數字代表對應形狀的層數，1表示第1層。
4.5 下箱體鋪層順序優化
為提高碳纖維結構的可制造性，對鋪層順序進行優化。優化約束如下：，＋45°和-45°層成對出現；第二，相同角度鋪層連續出現的次數不超過2次；第三，結構表面鋪層角度為＋45°或-45°。利用Optistruct進行求解，所得鋪層順序的結果如圖17所示。因為采用了對稱鋪層結構，所以結果中僅顯示一半的鋪層順序。
圖17 順序優化結果
5 優化結果驗證
為簡化優化問題，在電池箱多目標優化過程中未考慮某些工況，且終的優化結果是根據近似模型得到，所以有必要對終設計進行結果驗證。
表9 優化后模態頻率
5.1 模態分析
碳纖維結構電池箱前4階模態頻率如表9所示。第1階模態頻率為30.6 Hz，滿足高于30 Hz的優化要求，其他階次的頻率相比優化前均有不同程度的提高。
5.2 隨機振動分析
X、Y、Z 3個方向的1σ應力云圖如圖18～圖20所示。3個方向的大1σ應力分別為8.4、25.1和20.2 MPa。對應的3σ應力均小于鋁合金的屈服強度，也遠小于碳纖維的疲勞強度（600 MPa）。
圖18 X向隨機振動1σ應力分布
圖19 Y向隨機振動1σ應力分布
圖20 Z向隨機振動1σ應力分布
5.3 擠壓分析
橫向擠壓工況下的位移云圖如圖21所示，大位移為7.19 mm。復合材料失效因子分布如圖22所示，大失效因子為0.43。應力云圖如圖23所示，大應力為264.8 MPa?？v向擠壓工況下的位移云圖如圖24所示，大位移為4.68 mm。復合材料失效因子分布如圖25所示，大失效因子為0.62。應力云圖如圖26所示，大應力為261.2 MPa，小于鋁合金材料的屈服強度，復合材料失效指數小于1，滿足設計要求。
圖21 橫向擠壓位移云圖
圖22 橫向擠壓復合材料失效云圖
圖23 橫向擠壓應力云圖
圖24 縱向擠壓位移云圖
圖25 縱向擠壓復合材料失效云圖
圖26 縱向擠壓應力云圖
6 結論
（1）在對電池箱的性能分析中，提出了擠壓分析工況，進一步提高了電池箱的安全性。
（2）采用形貌優化和尺寸優化方法對鋁合金上箱體進行了輕量化設計，采用自由尺寸優化、尺寸優化、多目標優化、順序優化方法對碳纖維復合材料下箱體進行了鋪層厚度和鋪層順序優化，取得了良好的輕量化效果。
（3）輕量化后的電池箱第1階模態頻率提高49%，橫向擠壓大位移降低69%，縱向擠壓大位移降低55%，質量減輕29.8%。
