碳纖復合材料汽車蓄電池殼體優(yōu)化設計

1、碳纖復合材料汽車蓄電池殼體優(yōu)化設計 胡仁祥，周金宇 （江蘇理工學院 常州市裝備再制造工程重點實驗室，江蘇 常州 ） 摘 要：碳纖維增強復合材料具有比強度高、比模量高、耐腐蝕性好等諸多優(yōu)異性能，在汽車結構中得到了廣泛的應用。利用Altair OptiStruct軟件建立了電池殼體有限元模型，對汽車蓄電池殼體結構進行了優(yōu)化設計。整個汽車蓄電池殼體優(yōu)化過程包括三個階段：概念設計階段、系統(tǒng)設計階段、詳細設計階段。首先，在概念設計階段利用自由尺寸優(yōu)化模塊確定了鋪層塊的形狀；然后，在系統(tǒng)設計階段利用尺寸優(yōu)化模塊完成了鋪層厚度的優(yōu)化；最后，在詳細設計階段利用鋪層順序優(yōu)化模塊完成了鋪層順序的優(yōu)化。優(yōu)化結果表明

2、，通過優(yōu)化設計能減輕電池殼體的重量，減重比高達66%，優(yōu)化效果明顯。 關鍵詞：復合材料；蓄電池殼體；有限元建模；優(yōu)化設計 1 引言 碳纖維復合材料具有比強度大、可設計性強等優(yōu)良性能，越來越受到國內外汽車行業(yè)的重視1。碳纖維復合材料的諸多優(yōu)點決定了在汽車零件中將會獲得獲得越來越多的應用。 目前常用優(yōu)化軟件，如Ansys、Patran/Nastran、等能夠對復合材料纖維角度和纖維厚度進行優(yōu)化2，而OptiStruct軟件不僅僅能夠對復合材料纖維角度和纖維厚度進行優(yōu)化，還能對鋪層的順序進行優(yōu)化等，從而解決了很多復合材料優(yōu)化設計的難題。 以汽車蓄電池殼體作為研究對象，采用碳纖維復合材料替代金屬材料，

3、利用HyperMesh軟件創(chuàng)建汽車蓄電池殼體模型，然后用OptiStruct軟件對殼體結構進行了優(yōu)化設計。電池殼體優(yōu)化過程包括三個階段：概念設計階段、系統(tǒng)設計階段、詳細設計階段。通過優(yōu)化后與優(yōu)化前的結果對比，優(yōu)化后明顯減小了汽車蓄電池殼體的質量，實現(xiàn)了輕量化的目標。 2 電池殼體有限元模型的建立 在對汽車蓄電池殼體進行優(yōu)化設計之前，需要建立電池殼體的有限元模型并對其進行模態(tài)和靜力分析，得到電池殼體優(yōu)化前質量、位移。 2.1 有限元模型 電池殼體由殼體底板、殼體筋條以及殼體其他部分構成，整個電池殼體都采用碳纖維復合材料。用殼單元來代替實體進行分析。首先用HyperMesh對電池實體進行抽中面，得

4、到一個殼體，再對殼體進行網格劃分，電池殼體結構的網格總數(shù)為個，底板的網格數(shù)量為個，筋條的網格數(shù)量為39380個。創(chuàng)建材料和屬性，實現(xiàn)電池殼體的賦材。利用HyperLaminate對整個電池殼體進行鋪層。再創(chuàng)建Load Collector和Load Step，建立約束和載荷，進行模態(tài)和靜力分析。電池殼體模型主要分為三個部分：殼體底板，殼體筋條以及殼體其他部分，如圖1所示。 圖1 電池殼體有限元模型Fig.1 Finite Element Model of the Battery Shell 2.2 載荷工況 此電池殼體是為了放置蓄電池而設計的。筋條上需承受蓄電池的重量，為了簡化將力均勻分布在筋條

5、的各個孔上，利用HyperMesh軟件創(chuàng)建質心，用柔性連接（rbe3）將孔上的各個載荷點都集中在質心點上。因此，在分析工況時只需將集中力加載在質心上。此電池殼體應用于純電動汽車，該汽車主要在城鎮(zhèn)路面上行駛，在行駛過程中可能遇到的三種工況，即彎曲工況分析、轉彎工況分析、垂直極限工況分析。下面針對這三種工況，對其進行分析。 2.2.1 彎曲工況分析 該工況主要是用來模擬汽車在靜止或者是在平整的路面上行駛時結構的變形情況。在該工況下，電池殼體主要受到的載荷是電池模塊在重力加速度的作用下所受到的重力。公式表示為： 式中：F重力載荷； m電池模塊質量； g=9.8N/m2。 電池模塊重量為128kg，因

6、此電池殼體所受到的重力載荷為1254.4N。彎曲工況在模型上具體描述為：在電池殼體8個連接部位施加固定約束，在Z負方向的質心點上施加載荷，集中力大小為1254.4N。得到的XYZ的合力方向位移云圖，如圖2所示。 圖2 彎曲工況位移云圖Fig.2 Displacement Contour of Bending Condition 2.2.2 轉彎工況分析 該工況主要是由汽車在進行高速轉彎時，車身因離心力的作用而產生的側向載荷產生的。同樣的，電池殼體也屬于汽車的一部分，因而電池殼體也承受一定的側向載荷，表示為： 式中：F1重力載荷； F2離心力載荷； m電池整備質量； g=9.8N/m2）。 工況

7、中的重力載荷為1254.4N，離心力載荷為627.2N。轉彎工況在模型上具體描述為：在電池殼體8個連接部位施加固定約束，向Z負方向的質心點上施加重力載荷，集中力大小為1254.4N。向Y正方向的質心點上施加離心力載荷，大小為627.2N。得到的XYZ的合力方向位移云圖，如圖3所示。 圖3 轉彎工況位移云圖Fig.3 Displacement Contour of Turning Condition 2.2.3 垂直極限工況分析 該工況是模擬汽車在凹凸不平的道路上行駛時，車身發(fā)生垂直方向的顛簸而產生垂直方向的載荷，引起結構變形的情況。在垂直極限工況下，電池殼體需承受兩倍的重力載荷，表示為：式中：

8、F垂直方向載荷；m電池整備質量； g=9.8N/m2。 工況中，兩倍的重力載荷為2508.8N。垂直極限工況在模型上具體描述為：在電池殼體8個連接部位施加固定約束，在Z負方向的質心點上施加重力載荷，集中力大小為2508.8N。得到的XYZ的合力方向位移云圖，如圖4所示。 圖4 垂直極限工況位移云圖Fig.4 Displacement Contour of Vertical Limiting Condition 3 電池殼體的優(yōu)化過程 OptiStruct軟件是以有限元為基礎的優(yōu)化工具，提供了拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化等優(yōu)化方法3。通過對結構優(yōu)化變量、優(yōu)化約束、優(yōu)化目標以及制造約束的設定，

9、使得優(yōu)化變得更加有效。新型復合材料優(yōu)化設計分為三個階段：概念設計階段，系統(tǒng)設計階段，詳細設計階段，分別采用自由尺寸優(yōu)化，尺寸優(yōu)化，鋪層順序優(yōu)化。復合材料電池殼體被分為三個部分：殼體底板、殼體筋條、殼體其他部分。這三部分都用碳纖維鋪了4層，每層0.5mm。這電池殼體由SMEAR超級層組成，超級層是指將同角度的層鋪在一起，這樣會降低模型的總鋪層數(shù)。超級層一共分為4種角度：0、45、90。 3.1 自由尺寸優(yōu)化（概念設計階段） 自由尺寸優(yōu)化的基本思想是找出板殼結構上每個區(qū)域（單元）的最佳厚度3。 3.1.1 自由尺寸優(yōu)化問題描述 在滿足電池殼體結構體積分數(shù)0.3的情況下，使得電池殼體的加權柔度最?。?/p>

10、優(yōu)化變量：每個單元的超級層厚度。 3.1.2 自由尺寸優(yōu)化問題的數(shù)學模型 數(shù)學模型描述為：選擇一組（N個）可變化的設計變量x=x1，x2，xN，在滿足式（1）約束條件下，使目標函數(shù) f（x）最小。 式中第j個響應約束及其最大值；M所有約束條件的個數(shù)；xik第k個單元第i層的厚度；第k個單元的第i層厚度的最小值和最大值；Np超級層的層數(shù)；NE設計區(qū)域單元的個數(shù)。 自由尺寸優(yōu)化只需考慮全局的響應和制造約束，優(yōu)化過程中利用軟件中free-size模塊，找到每個角度超級層的每個單元的厚度，最終以鋪層塊的方式給出每層單元的厚度。如鋪了4層，經過自由尺寸優(yōu)化之后，就會得出16層的鋪層塊，每層的鋪層塊都是不

11、一樣的。自由尺寸優(yōu)化在設置4個方向的超級層之后，進行優(yōu)化，電池殼體的總厚度和0、45和90超級層厚度分布，如圖5所示。 圖5 上三組圖中自左上角逆時針分別為殼體殼體總厚度，45，90，0 度超級層厚度分布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 進行自由尺寸優(yōu)化之后，電池殼體的每一層的形狀以及厚度都已確定

12、，電池殼體的質量也由17.71kg下降到了14.14kg，自由尺寸優(yōu)化在優(yōu)化過程中決定了鋪層的基本結構。 3.2 尺寸優(yōu)化（系統(tǒng)設計階段） 尺寸優(yōu)化的基本思想是對有限元模型的各種參數(shù)（如板的厚度、梁截面尺寸和材料屬性等）進行優(yōu)化。優(yōu)化后可以得到每種形狀的具體厚度，再除以實際鋪層的厚度，那么就可以得到每種角度每種形狀的鋪層數(shù)目3。 3.2.1 尺寸優(yōu)化問題描述 尺寸優(yōu)化的目標是在滿足電池殼體變形和赫茲的情況下，使得電池殼體的質量最小；優(yōu)化變量是每種形狀超級層厚度。 3.2.2 尺寸優(yōu)化的數(shù)學模型 約束條件：0disp_a3 Modal_120 式中：T_Total自由尺寸優(yōu)化后的厚度；disp給

13、定的節(jié)點a的 位移；Modal_1一階模態(tài)。 尺寸優(yōu)化階段需要考慮所有的設計響應和制造約束，優(yōu)化后，電池殼體的總厚度和0、45和90超級層厚度分布，如圖6所示。 圖6 上三組圖中自左上角逆時針分別為殼體其他部分總厚度，45，90，0 度超級層厚度分布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 尺寸優(yōu)化后，殼

14、體已被優(yōu)化為每層厚度為0.1mm的層合板結構，質量由自由尺寸階段的14.14kg下降到了尺寸優(yōu)化后的5.877kg，尺寸優(yōu)化質量下降明顯。 3.3 鋪層順序優(yōu)化（詳細設計階段） 鋪層順序優(yōu)化的基本思想是在不增加材料重量的情況下，通過更改電池殼體鋪層順序，使電池殼體的性能提高。 3.3.1 優(yōu)化設計的問題描述 鋪層順序優(yōu)化的目的是為了滿足詳細的制造約束，通過鋪層順序的不同組合，選擇最佳的鋪層方式，從而對電池殼體性能做最后的設置。 3.3.2 鋪層的層數(shù) 對于電池殼體的單層板而言，相同鋪層角度的單層厚度是相等的，t=0.1mm。再依據(jù)尺寸優(yōu)化得出的結果，每個角度鋪層厚 式中：Ni每個角度的鋪層層數(shù)

15、。 3.3.3 鋪層順序的優(yōu)化設置 從制造的工藝過程進行考慮，該復合材料電池殼體需要滿足的原則有：為了避免最后的鋪層結果在同一方向，設置同一方向的層數(shù)不得多于4層；從抗沖擊力的角度出發(fā)，每層相鄰的角度不大于45度；電池殼體外表面應選用45度進行鋪層。此階段需考慮所有的狀態(tài)響應和制造約束，只需在鋪層順序優(yōu)化階段修改制造約束，優(yōu)化運行后就可以得到最終的鋪層結果。電池殼體被分為三個部分，各部分鋪層順序優(yōu)化的結果，如表1表3所示。 表1 殼體底板鋪層順序Tab.1 Shell Plates Laying Sequence迭代0次 迭代1次 迭代2次 迭代3次 迭代4次-45 45 90 90 9090

16、 -45 90 90 900 90 45 45 4590 0 -45 -45 -4545 90 0 0 00 0 0 0 0-45 -45 0 0 090 45 -45 -45 -4545 90 45 45 450 0 90 90 90-45 90 90 90 9090 -45 -45 -45 -45 表2 殼體筋條鋪層順序Tab.2 Shell Ribs Laying Sequence迭代0次 迭代1次 迭代2次 迭代3次 迭代4次90 45 90 90 9045 -45 45 45 450 90 -45 -45 -45-45 0 90 90 9090 90 0 0 045 -45 90 9

17、0 900 45 -45 -45 -450 0 45 45 45-45 90 0 0 0-45 45 90 90 9090 -45 45 45 4590 0 -45 -45 -4545 90 0 0 045 -45 90 90 900 45 -45 -45 -45-45 0 45 45 4590 90 45 45 4545 45 0 0 0 表3 殼體其他部分鋪層順序Tab.3 Other Parts of the Shell Laying Sequence表中：0，45，90鋪 0層，鋪45層，鋪 90層迭代0次 迭代1次 迭代2次 迭代3次 迭代4次45 45 0 0 0-45 -45 0

18、 0 00 0 45 0 045 90 -45 0 090 -45 -45 45 45-45 45 45 -45 -450 0 90 -45 -450 90 90 45 4545 45 90 90 9090 -45 90 90 9090 0 45 90 90-45 90 -45 90 900 -45 0 45 4545 45 0 -45 -4590 0 -45 -45 -45-45 90 45 45 45 最后一階段鋪層順序優(yōu)化，電池殼體經過幾次迭代后，得到了最佳的鋪層順序，同時也滿足了制造約束的要求。 4 優(yōu)化結果及分析 原鋼材料以及CFRP優(yōu)化前后的電池殼體模態(tài)、位移、質量結果，如表4所示

19、。優(yōu)化后的復合材料電池殼體與原鋼電池殼體相比，一階模態(tài)稍有增加；彎曲工況最大位移有明顯降低、轉彎工況最大位移有明顯降低、還有垂直極限工況的最大位移也有顯著降低；優(yōu)化后的復合材料電池殼體質量下降高達66%，輕量化設計效果顯著。 表4 復合材料與鋼電池殼體性能對比Tab.4 Performance Comparison of Composite and Steel Battery Shell鋼 CFRP優(yōu)化前 CFRP優(yōu)化后一階模態(tài)（Hz） 32.544 26.544 27.962彎曲工況最大位移（mm） 2.348 11.01 2.191轉彎工況最大位移（mm） 4.695 22.01 4.38

20、2垂直極限工況最大位移（mm） 2.352 11.02 2.197質量（kg） 17.71 14.14 5.877 5 結論 （1）在滿足強度、穩(wěn)定性前提下，質量由17.71kg下降到了5.877kg，減重達到了66%，這說明了該優(yōu)化方法的優(yōu)化效果明顯，可以在復合材料的更多領域進行運用。（2）從輕量化的角度出發(fā)，采用復合材料以及新型的優(yōu)化設計方法對于材料質量的減輕、性能的改進具有重要的意義。 參考文獻 1Henning Wallentowitz.Innovation in automotive engineering：a look into thefutureJ.Journal of Auto

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