今天技術(shù)帖

　　摘要：電池組箱體輕量化設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車(chē)“以塑代鋼”思想的具體體現(xiàn),。文章從材料選擇入手，通過(guò)模態(tài)分析確定產(chǎn)品的性能參數(shù)滿足整車(chē)需求,；針對(duì)3D模型進(jìn)行模流分析,，確定成形工藝可行性。從材料的選擇到產(chǎn)品的成形分析進(jìn)行全面的介紹,，闡述一種電動(dòng)汽車(chē)電池組箱體的輕量化設(shè)計(jì),，可以為其它輕量化材料在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一種思路。

　　關(guān)鍵詞：輕量化,；電池組箱體,；模態(tài)分析；模流分析

　　輕量化是一個(gè)涵義非常廣泛的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,，汽車(chē)結(jié)構(gòu)的輕量化對(duì)汽車(chē)節(jié)能和環(huán)保都具有重要的意義,。電動(dòng)汽車(chē)是指以車(chē)載電池組為動(dòng)力,，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛。電動(dòng)汽車(chē)無(wú)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣,，對(duì)環(huán)境保護(hù)和空氣的潔凈是十分有益的,，幾乎是“零污染”,，因此其前景被廣泛看好,。

　　電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程是衡量其綜合性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，在保證其強(qiáng)度和安全性能的前提下,，盡可能地降低其整備質(zhì)量,，達(dá)到更高的加速度，提高有效載荷,，減少能源消耗,。輕量化的設(shè)計(jì)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域更具有重要的意義。

　　在過(guò)去的幾十年里,，新材料與材料復(fù)合物以及新的成型方法使得構(gòu)件輕量化實(shí)現(xiàn)的得到進(jìn)一步的發(fā)展,。

　　目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)電池箱體均使用金屬制造，國(guó)外亦很少使用非金屬材料,。應(yīng)用非金屬材料的電池箱體可以提高整個(gè)電池的絕緣安全,，防止在極端工況中發(fā)生外短路，同時(shí)起到緩沖吸振的作用,；應(yīng)用非金屬材料的電池箱體保溫效果更好,，便于電池溫度一致性的控制，有利于提高熱管理的有效性,。

　　因此,，如何設(shè)計(jì)一種高強(qiáng)度的電池箱體對(duì)整個(gè)電池的安全、熱管理,，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的提升具有重大的意義,。

　　電池箱體由上蓋和底板兩部分組成，底板是主要的結(jié)構(gòu)件,，承載了整個(gè)電池組的重量,；上蓋僅僅是個(gè)覆蓋件，用于整個(gè)電池的防護(hù)與密封,。因此通過(guò)將金屬上蓋換成塑料上蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)電池箱體輕量化,。

　　以塑代鋼的關(guān)鍵在于選用何種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，材料確定后選用何種成形方式制成一個(gè)何種結(jié)構(gòu)的零件,，能夠滿足整車(chē)的功能需求,。

　　電池上蓋不承受整個(gè)電池組的重量，彎曲強(qiáng)度是衡量其是否滿足強(qiáng)度需求的重要標(biāo)準(zhǔn),。從通用塑料與工程塑料中選擇,，綜合成本,、密度、耐熱性,、尺寸穩(wěn)定性,，選用PP與PA兩種基材；同時(shí),，選用不同成分的玻纖材料進(jìn)行復(fù)合增強(qiáng),。傳統(tǒng)的金屬上蓋選用1mm厚度鋼板沖壓而成，通過(guò)彎曲試驗(yàn)與1mm厚度鋼板對(duì)比選用材料,。

　　綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，由于PA相比PP吸濕性更強(qiáng)，成本更高,，選擇3mm厚PP基材玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料等效替代1mm鋼板,。

　　3.1產(chǎn)品性能參數(shù)

　　確定了材料類(lèi)型之后，通過(guò)產(chǎn)品的性能需求確定具體的材料組分與其它增強(qiáng)成分,。結(jié)合其它汽車(chē)上塑料制品的性能參數(shù)需求,，制定電池上蓋的性能參數(shù)表：

　　為了保證電池組的安全，對(duì)塑料上蓋產(chǎn)品提出V-0級(jí)阻燃要求,，因而在復(fù)合材料中添加阻燃劑以滿足要求,。

　   3.23D模型設(shè)計(jì)

　　根據(jù)整車(chē)總布置給定的MCO空間，確定金屬上蓋的3D模型,。

　　在金屬上蓋模型的基礎(chǔ)上,，保持原有的形面不動(dòng)，將料厚增加至3mm,，同時(shí)遵循塑料件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,，避免尖角、增加脫模斜度,；在上蓋與底板的配合面合理的設(shè)置加強(qiáng)筋,，增加其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；在高低壓接插件位置進(jìn)行局部增強(qiáng),，提高其疲勞強(qiáng)度,。

　　3.3振動(dòng)分析

　　完成塑料上蓋的3D模型設(shè)計(jì)后，通過(guò)模態(tài)分析研究其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性,。

　　通過(guò)有限元計(jì)算的方法,，首先，將結(jié)構(gòu)物在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行人為激振,，通過(guò)測(cè)量激振力與響應(yīng)并進(jìn)行雙通道快速傅里葉變換（FFT）分析,，得到任意兩點(diǎn)之間的機(jī)械導(dǎo)納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過(guò)對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識(shí)別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù),，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型,。根據(jù)模態(tài)疊加原理，在已知各種載荷時(shí)間歷程的情況下,，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)物的實(shí)際振動(dòng)的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜,。

　　多自由度系統(tǒng)的固有頻率，可以根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)微分方程得到,，即

　　設(shè)微分方程的解為：

　　式中,，A為系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)的振幅向量，A=(A1A2…An)T將(2)及其二階導(dǎo)數(shù)代入(1),可得到主振型方程為：

　　稱(chēng)為特征矩陣,。主振型方程存在非零解的條件是特征矩陣的行列式必須等于0,，也就是：

　　將行列式展開(kāi),，得到關(guān)于wn2的n階多項(xiàng)式,。由于質(zhì)量矩陣M為正定矩陣，剛度矩陣K為正定或半正定矩陣,，因此,，一般可從特征方程得到wn2的n個(gè)大于零的正實(shí)根，稱(chēng)為系統(tǒng)的特征值,，將特征值開(kāi)平方后得到n個(gè)系統(tǒng)的固有頻率,，分別稱(chēng)為第1階固有頻率（基頻）、第2階固有頻率,、……,、第n階固有頻率。系統(tǒng)的固有頻率只與系統(tǒng)的固有物理特性相關(guān),。

　　添加上蓋與底板配合面以及高低壓接插件處的約束,，建立模態(tài)模型，輸入材料性能參數(shù)：拉伸強(qiáng)度82MPa,、彎曲模量7.2GPa,、泊松比0.46、密度1.373g/cm3,。

　　模態(tài)分析塑料上蓋一階固有頻率69.61Hz,。

　　汽車(chē)零部件常用頻率測(cè)試范圍為10—55Hz，塑料上蓋的固有頻率在此范圍之外,，可以有效避開(kāi)共振,，該模型確定的塑料上蓋能夠滿足汽車(chē)件振動(dòng)特性需求。

　　4.1成形工藝介紹

　　對(duì)于3mm厚的熱塑性材料,，零件表面設(shè)置了很多加強(qiáng)筋,，選用應(yīng)用最廣、精度和生產(chǎn)效率較高的注塑成形方式。即通過(guò)加壓將物料由加熱桶經(jīng)過(guò)主流道,、分流道,、澆口注入閉合模具型腔的模塑方法。

　　4.2模流分析

　　通過(guò)Moldflow軟件進(jìn)行注塑成型過(guò)程的仿真模擬,，得出填充時(shí)間,、熔接痕、鎖模力,、翹曲變形量等一系列數(shù)據(jù),，對(duì)其成形工藝可行性做出評(píng)估。

　　對(duì)塑料上蓋模具設(shè)置12個(gè)澆口,，分析選擇注塑方案,。方案一為所有澆口同時(shí)打開(kāi)，稱(chēng)為同時(shí)注塑,；方案二為1,、2、3澆口同時(shí)打開(kāi),，剩余的澆口在熔體流過(guò)澆口時(shí)打開(kāi),，稱(chēng)為順序注塑。

　　通過(guò)分析數(shù)據(jù)看出：同時(shí)注塑時(shí)間較短,，但注射壓力與鎖模力較大,；順序注塑時(shí)間略長(zhǎng)，但注射壓力與鎖模力較??；翹曲變形量二者接近。

　　分析結(jié)果顯示：順序注塑流動(dòng)較好,，在順序填充部分沒(méi)有熔體匯合區(qū)域,，其熔接痕要明顯小于同時(shí)注塑。

　　順序注塑的翹曲變形稍大于同時(shí)注塑,，分析中沒(méi)有設(shè)置冷卻水路,，并非能與實(shí)際數(shù)值相符，但趨勢(shì)相同,，最大翹曲位置位于填充最末端,，且變形方向?yàn)榇怪狈中兔嫦蛏稀?/span>

　　1)輕量化的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在PP基長(zhǎng)玻纖阻燃增強(qiáng)型新材料的應(yīng)用。

　　2)從彎曲性能角度考慮,，3mm厚度的塑料可以等效替代1mm厚度的鋼板,。

　　3)針對(duì)塑料上蓋3D模型進(jìn)行模態(tài)分析，其一階固有頻率滿足振動(dòng)特性要求,。

　　4)針對(duì)塑料上蓋3D模型進(jìn)行模流分析,，其注塑工藝可行,，順序注塑方案更合理。

　　5)設(shè)計(jì)過(guò)程為新材料在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一種思路,。