關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料;自由尺寸優(yōu)化;尺寸優(yōu)化;鋪層次序優(yōu)化;輕量化

1引言

目前輕量化是純電動(dòng)汽車提高續(xù)駛里程的必然選擇，減輕汽車重量是輕量化的核心目標(biāo)。碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、破損安全性好以及耐疲勞性能好等特點(diǎn)，將其應(yīng)用在汽車上不僅可減輕質(zhì)量，還擁有抗沖擊性能好的特點(diǎn)，使汽車的安全性得到提高。Liu等對(duì)碳纖維復(fù)合材料車身進(jìn)行了碰撞安全性分析，實(shí)現(xiàn)了車身輕量化，也驗(yàn)證了碳纖維復(fù)合材料車身的安全性能。Hartmann運(yùn)用有限元分析軟件OptiStruct對(duì)電池箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高電池箱的固有頻率，質(zhì)量減少20%左右，達(dá)到了輕量化的效果。國內(nèi)外對(duì)電池箱的研究主要是分析并提高復(fù)合材料電池箱的承載情況和安全性能，對(duì)復(fù)合材料電池箱在不同工況下的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究比較少。

由于復(fù)合材料電池箱設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿足剛度和強(qiáng)度要求，還要滿足振動(dòng)、碰撞等實(shí)驗(yàn)要求，因此設(shè)計(jì)難度非常大。本文以某款純電動(dòng)汽車的電池箱體為研究對(duì)象，通過利用Optistruct提供的自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、層疊次序優(yōu)化方法得到最佳鋪層次序，縮短設(shè)計(jì)周期，減少工作量。

2電池箱體有限元模型

采用18650柱形電池為電池單體，以混聯(lián)方式組成電池模組，其中電池箱體中間部分安裝14個(gè)電池模組，前端部分在豎直方向安裝2個(gè)電池模組。16個(gè)電池模組的質(zhì)量為437.2kg，總質(zhì)量為500kg，利用電池箱兩側(cè)支架以及前端支架與底盤進(jìn)行懸置安裝。

由于電池箱體承載電池模組的重量，因此需對(duì)電池箱體進(jìn)行主要分析，其中電池箱體基本尺寸為2577mm×1546mm×100mm，單元尺寸為10mm×10mm，單元數(shù)為75518，其箱體有限元模型如圖1所示。

汽車在行駛時(shí)會(huì)遇到制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、顛簸等情況，各工況載荷作用如表1所示，對(duì)電池箱箱體施加垂向顛簸、緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)彎工況的載荷進(jìn)行綜合分析。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是利用復(fù)合材料力學(xué)進(jìn)行分析計(jì)算，該方法僅適用于幾何簡(jiǎn)單、鋪層單一的結(jié)構(gòu)，而對(duì)于幾何和鋪層較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)則需通過CAE軟件仿真技術(shù)以及大量試驗(yàn)來完成。同等鋼制電池箱體的材料采用Q235，箱體底板厚度為3mm，總質(zhì)量達(dá)到266.5kg，用有限元分析軟件Hyperwork14.0中的Optistruct模塊擁有的復(fù)合材料零件結(jié)構(gòu)鋪層形狀、厚度分布、鋪層角度、層數(shù)優(yōu)化以及鋪層層疊次序等設(shè)計(jì)方法，再考慮各鋪層的應(yīng)力、應(yīng)變以及制造等約束，完成鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)輕量化，本文的優(yōu)化采用該方法。

3電池箱的優(yōu)化

3.1材料的定義

采用MAT8定義碳纖維復(fù)合材料的相關(guān)參數(shù)，所選用的碳纖維復(fù)合材料參數(shù)如表2所示。

3.2優(yōu)化的基本原則

在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)應(yīng)注意遵循一般復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)的基本原則，有如下幾種:(1)均衡對(duì)稱的鋪設(shè)原則。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成均衡對(duì)稱形式，可使Bij=0、D16=0及D26=0，避免層合板在固化后發(fā)生翹曲變形。要求如下:①鋪層中面對(duì)稱;②平衡±45°，應(yīng)成對(duì)鋪設(shè);(2)鋪層定向原則。為提高工作效率，在滿足受力的前提下，鋪層方向數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)盡量少。對(duì)要承受面內(nèi)載荷的層合板應(yīng)多選擇0°、90°、±45°等4種鋪層方向，±45°應(yīng)盡量靠近，以降低彎扭耦合;(3)按承載原則定鋪層方向。為充分利用復(fù)合材料比強(qiáng)度大、比模量高的特點(diǎn)，應(yīng)使鋪層方向與內(nèi)力的拉壓方向盡量保持一致。如:0°鋪層承受軸向載荷，±45°鋪層承受剪切載荷，90°鋪層承受橫向載荷;(4)鋪層順序原則。應(yīng)避免集中放置同一方向的鋪層，而且不得超過4層;對(duì)于層合板的最外部，應(yīng)鋪設(shè)±45°層，以改善層合板的抗壓縮和抗沖擊性能，提高維護(hù)性。

3.3自由尺寸優(yōu)化

屬于概念設(shè)計(jì)階段，首先在設(shè)計(jì)要求下給出層合板結(jié)構(gòu)的大致形狀，然后對(duì)層合板不同方向的鋪層進(jìn)行近似處理。優(yōu)化后得出各層的厚度分布，但總厚度不會(huì)發(fā)生改變。再綜合以上原則，本階段采用0°、90°、±45°方向鋪層;對(duì)稱布置;各方向鋪層厚度約束要大于0.1mm且小于2mm，以防任意方向的基體直接受載，以此獲得較好的強(qiáng)度范圍;±45°鋪層數(shù)相等。電池箱體的初始鋪層設(shè)置如表3所示。

目標(biāo)函數(shù)以顛簸、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎三種工況的柔度加權(quán)最小，約束函數(shù)為箱體結(jié)構(gòu)質(zhì)量要小于140kg，柔度是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，也是結(jié)構(gòu)剛度的倒數(shù)，因此可建立數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為:

經(jīng)過優(yōu)化后得到了箱體總厚度和各角度鋪層厚度的分析結(jié)果(注:由于±45°的厚度分布相同，故只取45°的厚度分布)，如圖2所示。

經(jīng)過自由尺寸優(yōu)化后，箱體質(zhì)量從200.6kg下降到137.1kg，質(zhì)量減少了31.6%，減重63.5kg。優(yōu)化過程箱體的目標(biāo)函數(shù)總?cè)岫茸兓€如圖3所示。從圖3可以看出優(yōu)化經(jīng)過5次迭代后，柔度值從464.6516mm/N下降到了275.2mm/N。

自由尺寸優(yōu)化后，每個(gè)初始層自動(dòng)分解成四個(gè)不同形狀的鋪層塊，每個(gè)鋪層塊代表著材料分布形狀相同的鋪層若干的集合，因此需要對(duì)各個(gè)初始鋪層進(jìn)行解析并裁剪，以滿足實(shí)際制造的工藝要求，使之具有可制造性。裁剪后箱體質(zhì)量會(huì)有所變化，從裁剪前的137.1kg增加到裁剪后的200.6kg。

3.4尺寸優(yōu)化

屬于系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。此階段需要確定基本的鋪層結(jié)構(gòu)和各角度下的鋪層數(shù)。因此增加應(yīng)力響應(yīng)約束，其上下限值為±60MPa(s.t.－60＜σ＜60，σ為靜態(tài)應(yīng)力);各鋪層塊加入制造性約束，設(shè)置各鋪層塊制造固化厚度均為0.125mm。然后通過改變各個(gè)設(shè)計(jì)變量的上限值來最終確定箱體結(jié)構(gòu)中各方向的鋪層數(shù)，從而得到箱體總的鋪層數(shù)，尺寸優(yōu)化后0°、90°、±45°及總厚度分布結(jié)果(注:±45°的厚度分布一樣，故只取45°的厚度分布)如圖4所示。

尺寸優(yōu)化過程箱體總?cè)岫鹊淖兓€如圖5所示。由圖5可知，在第一次迭代時(shí)柔度值從227.3369mm/N增至最大644.5199mm/N，這是因?yàn)樵阡亴硬眉暨^程中箱體質(zhì)量增加，所以柔度值會(huì)出現(xiàn)上升的現(xiàn)象。從第二次和第三次的迭代過程可以看出，其柔度值從最大值644.5199mm/N下降到598.1947mm/N，呈下降趨勢(shì)。箱體質(zhì)量在優(yōu)化時(shí)的變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出經(jīng)過尺寸優(yōu)化后，箱體質(zhì)量從2.006×10－1t下降到了9.089×10－2t，減少了54.7%，減重1.0971×10－1t，即109.71kg。

3.5層疊次序優(yōu)化

屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。經(jīng)過尺寸優(yōu)化后會(huì)得到各角度的實(shí)際鋪層數(shù)，接下來需要對(duì)鋪層的層疊次序進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最佳的層疊次序。

為尋求最佳的層疊次序，還需要考慮增加更多的制造約束，其中設(shè)計(jì)響應(yīng)同尺寸優(yōu)化階段一樣，增加層合板最外部鋪層設(shè)置為±45°，相同方向的鋪層疊置不超過2層。箱體鋪層層疊次序優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。

因此，鋪層層疊次序優(yōu)化經(jīng)過四次優(yōu)化迭代后得到的最佳鋪層次序?yàn)椋?plusmn;45/0/±45/0/90/0/90/0/±45/0/90/0/90/0/±45/90/±45/90/±45/90/±45/90］s，其中每層厚度均為0.125mm，滿足層合板設(shè)計(jì)原則。

基于Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)優(yōu)化后的鋪層進(jìn)行校核，李明秋對(duì)電池箱靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:在1g下，結(jié)構(gòu)變形不超過1mm;在3g下，結(jié)構(gòu)變形必須不超過3mm。優(yōu)化后的箱體失效因子分布如圖8所示，可得到最大失效因子為0.2038，小于1，滿足Hoffman強(qiáng)度校核準(zhǔn)則。箱體變形情況如圖9所示，可得到最大變形位移為0.3521mm，滿足電池箱最大變形要求。

優(yōu)化過程總?cè)岫茸兓€如圖10所示，經(jīng)過四次優(yōu)化迭代后其柔度值從598.195mm/N下降到596.509mm/N，曲線總體呈平穩(wěn)趨勢(shì)，故層疊次序優(yōu)化對(duì)箱體柔度值的影響可忽略不計(jì)。而優(yōu)化過程箱體質(zhì)量的變化曲線如圖11所示，優(yōu)化后箱體質(zhì)量仍為90.89kg，所以此過程對(duì)箱體質(zhì)量是無影響的。

4結(jié)論

(1)通過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、層疊次序優(yōu)化得到最佳的鋪層結(jié)果，在滿足剛度和強(qiáng)度的要求下，箱體質(zhì)量從優(yōu)化前的200.6kg減少到優(yōu)化后的90.89kg，減少了54.7%，說明使用這三步優(yōu)化法的效果明顯，而且充分發(fā)揮了復(fù)合材料比強(qiáng)度大、比模量高的特點(diǎn)，使材料利用率得到大大提高;

(2)優(yōu)化后的質(zhì)量與同等鋼制電池箱體的箱體質(zhì)量266.5kg相比，下降了65.89%，輕量化效果顯著;

(3)使用該方法可大大縮短開發(fā)周期，節(jié)約復(fù)合材料的生產(chǎn)成本，使復(fù)合材料電池箱的制造成本下降，為應(yīng)用復(fù)合材料進(jìn)行純電動(dòng)汽車的零部件輕量化設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

來源：期刊-玻璃鋼/復(fù)合材料

作者：段端祥，趙曉昱

單位：上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院