［摘要］ 對某電動汽車的電池箱進行輕量化設(shè)計,。因上箱體主要作為密封件,，故采用結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jié)構(gòu)下箱體的輕量化設(shè)計中引入了多目標(biāo)優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明,，所采用的輕量化方案在減輕質(zhì)量的同時,，還有效提高了電池箱的剛度和模態(tài)頻率。關(guān)鍵詞：電動汽車,；電池箱,；輕量化設(shè)計；碳纖維復(fù)合材料,；多目標(biāo)優(yōu)化汽車已經(jīng)向“輕量化,、電動化、智能化”轉(zhuǎn)型［1］,，2017年全球電動汽車的總銷量約為333萬輛,，比2016年增長26.0%［2］。盡管電動汽車的銷量飛速增長,，但其續(xù)航里程一直飽受詬病,，甚至引發(fā)“里程焦慮”。在當(dāng)前的電池技術(shù)背景下,，提升電動汽車?yán)m(xù)航里程的技術(shù)主要依賴車輛結(jié)構(gòu)的輕量化,。汽車輕量化主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料利用和先進制造工藝運用3個方面著手,。結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)相對成熟,，因此要進行更深層次的輕量化設(shè)計，新材料利用成為主要選擇,。碳纖維增強復(fù)合材料憑借密度低,、強度高、剛度大等優(yōu)點,，已在車身結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用［3-6］,。本文中對某車型的電池箱進行輕量化設(shè)計。所涉及的優(yōu)化技術(shù)主要包括：形貌優(yōu)化,、尺寸優(yōu)化,、自由尺寸優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化和順序優(yōu)化等,。在電池箱輕量化過程中,，提出了評價電池箱結(jié)構(gòu)安全性的擠壓工況，而且應(yīng)用多種優(yōu)化方案,，實現(xiàn)了電池箱的輕量化目標(biāo),。所研究的電池箱是根據(jù)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(cè)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(tǒng)的線束和其他附件,，將電池模組和模組固定結(jié)構(gòu)合并考慮。在電池箱的仿真計算中,，電池模組不發(fā)生變形,，但須確保質(zhì)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(wǎng)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(jié)構(gòu)各部件的質(zhì)量分布如表1所示。2.1 仿真工況確定綜合電動汽車電池箱的研究現(xiàn)狀,、電池箱實際工作載荷和企業(yè)要求［7-9］,，確定如表2所示的典型工況。2.2 原電池箱性能分析電池箱的前4階模態(tài)頻率如表3所示,，第1階模態(tài)頻率為20.67 Hz,，低于設(shè)計要求的30 Hz。X,、Y,、Z三向的隨機振動參數(shù)按照GB／T 31467.3—2015中表2、表4,、表5執(zhí)行,。三向的1σ應(yīng)力云圖分別如圖2～圖4所示。對應(yīng)的3σ應(yīng)力分別為30.1,、81.6和196.0 MPa,，均小于材料的屈服強度,。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(yīng)力云圖如圖6所示,，其中最大位移為23.76 mm，最大應(yīng)力為264.1 MPa,?？v向擠壓工況下的位移云圖如圖7所示，應(yīng)力云圖如圖8所示,，其中最大位移為10.39 mm,，最大應(yīng)力為238.0 MPa。上箱體不是主要承載部件,，考慮成本因素繼續(xù)采用鋁合金材料,。對上箱體采用形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化方法進行輕量化設(shè)計。3.1 上箱體形貌優(yōu)化模態(tài)分析中發(fā)現(xiàn),，電池箱的第1階模態(tài)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(yōu)化來提高電池箱的模態(tài)頻率,。加強筋起筋方向選為垂直箱體表面向上,，最小寬度設(shè)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(yōu)化結(jié)果如圖9所示。形貌優(yōu)化只是給設(shè)計人員提供概念指導(dǎo),，其結(jié)果并不能直接用于加工制造,，必須對其優(yōu)化結(jié)果進行形狀修整。依據(jù)形貌優(yōu)化給出的結(jié)果,，修整后的電池箱上箱體形貌如圖10所示,。3.2 上箱體尺寸優(yōu)化原始上箱體的厚度為3 mm，利用尺寸優(yōu)化確定最佳的上箱體厚度,。尺寸優(yōu)化的設(shè)計變量為上箱體的所有單元,，約束為第1階模態(tài)頻率高于30 Hz，優(yōu)化目標(biāo)為質(zhì)量最小,。經(jīng)過8步迭代后,，得到上箱體的最佳厚度為1.85 mm，考慮到加工制造工藝,，最終選取上箱體厚度為2 mm,。下箱體屬于主要承載部件，為對其進行輕量化設(shè)計和探索復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù),，采用碳纖維復(fù)合材料替換原鋁合金材料的優(yōu)化方案,。4.1 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)試驗碳纖維復(fù)合材料屬于正交各向異性材料,，將其應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)上可極大降低汽車質(zhì)量，但其力學(xué)參數(shù)受多種因素影響,，例如加工工藝,、絲束規(guī)格等。因此為獲取準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù),，參照美國材料試驗協(xié)會相關(guān)力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)完成試驗［10-11］，獲取的力學(xué)參數(shù)如表4所示,。試驗設(shè)備如圖11所示,，試驗樣件中90°纖維的壓縮試件如圖12所示。4.2 下箱體自由尺寸優(yōu)化復(fù)合材料的鋪層方式和鋪層角度的選取對結(jié)構(gòu)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(yōu)化中超級層厚度為3 mm,，為得到良好的優(yōu)化結(jié)果,，設(shè)定優(yōu)化結(jié)果中最小區(qū)域尺寸為50 mm，＋45°和-45°具有相同的分布形狀,，下箱體最大厚度為20 mm,，最小厚度為3 mm。根據(jù)以上的設(shè)計要素提交Optistruct進行求解,，經(jīng)過25步迭代之后,，優(yōu)化結(jié)果收斂，得到的復(fù)合材料厚度分布如圖13所示,。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(yōu)化所得到的結(jié)果。初始鋪層共包含4種角度,，經(jīng)過自由尺寸優(yōu)化共產(chǎn)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(yōu)化雖然在自由尺寸優(yōu)化過程中控制了碎片尺寸，所得形狀是不規(guī)則的,。所以尺寸優(yōu)化的第1步需要對自由尺寸優(yōu)化得到的形狀逐個修整,。尺寸優(yōu)化的目的是給多目標(biāo)優(yōu)化提供合理的設(shè)計變量初值。因此在尺寸優(yōu)化中應(yīng)考慮碳纖維的單層厚度,。
4.4 下箱體多目標(biāo)優(yōu)化將電池箱的模態(tài)頻率和質(zhì)量作為關(guān)注目標(biāo),，選取典型工況響應(yīng)作為約束,，對電池箱進行多目標(biāo)優(yōu)化。取碳纖維疲勞強度為600 MPa［12-13］,，所涉及的優(yōu)化要素如表7所示,。多目標(biāo)優(yōu)化過程中需要多次求解典型工況響應(yīng)。為縮短優(yōu)化時間,，典型工況的響應(yīng)通過近似模型得到,。近似模型建立過程如下：首先利用最優(yōu)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(yīng),，建立2階響應(yīng)面近似模型,；最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(biāo)優(yōu)化流程,，采用NSGA-II算法對多目標(biāo)優(yōu)化問題進行求解，得到的帕累托解集如圖16所示,。表8 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合實際要求,，選取質(zhì)量23 kg（下箱體和吊耳的質(zhì)量）和第1階模態(tài)頻率30 Hz作為多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，對應(yīng)設(shè)計變量取值如表8所示,。表中編號的第1個數(shù)字代表鋪層結(jié)構(gòu),，本文中只有一種對稱鋪層結(jié)構(gòu)，所以均為1,；第2個數(shù)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(shù)字代表對應(yīng)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,；最后兩位數(shù)字代表對應(yīng)形狀的層數(shù),，1表示第1層。4.5 下箱體鋪層順序優(yōu)化為提高碳纖維結(jié)構(gòu)的可制造性,，對鋪層順序進行優(yōu)化,。優(yōu)化約束如下：第一，＋45°和-45°層成對出現(xiàn),；第二,，相同角度鋪層連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)不超過2次；第三，結(jié)構(gòu)表面鋪層角度為＋45°或-45°,。為簡化優(yōu)化問題,，在電池箱多目標(biāo)優(yōu)化過程中未考慮某些工況，且最終的優(yōu)化結(jié)果是根據(jù)近似模型得到,，所以有必要對最終設(shè)計進行結(jié)果驗證,。5.1 模態(tài)分析碳纖維結(jié)構(gòu)電池箱前4階模態(tài)頻率如表9所示。第1階模態(tài)頻率為30.6 Hz,，滿足高于30 Hz的優(yōu)化要求,，其他階次的頻率相比優(yōu)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(yīng)力云圖如圖18～圖20所示。3個方向的最大1σ應(yīng)力分別為8.4,、25.1和20.2 MPa。對應(yīng)的3σ應(yīng)力均小于鋁合金的屈服強度,，也遠(yuǎn)小于碳纖維的疲勞強度（600 MPa）,。5.3 擠壓分析橫向擠壓工況下的位移云圖如圖21所示，最大位移為7.19 mm,。復(fù)合材料失效因子分布如圖22所示,，最大失效因子為0.43。應(yīng)力云圖如圖23所示,，最大應(yīng)力為264.8 MPa,。縱向擠壓工況下的位移云圖如圖24所示,，最大位移為4.68 mm,。復(fù)合材料失效因子分布如圖25所示，最大失效因子為0.62,。應(yīng)力云圖如圖26所示,，最大應(yīng)力為261.2 MPa，小于鋁合金材料的屈服強度,，復(fù)合材料失效指數(shù)小于1,，滿足設(shè)計要求。（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(yōu)化和尺寸優(yōu)化方法對鋁合金上箱體進行了輕量化設(shè)計,，采用自由尺寸優(yōu)化,、尺寸優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化、順序優(yōu)化方法對碳纖維復(fù)合材料下箱體進行了鋪層厚度和鋪層順序優(yōu)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(tài)頻率提高49%，橫向擠壓最大位移降低69%,，縱向擠壓最大位移降低55%,，質(zhì)量減輕29.8%。參考文獻 ［1］ 朱盛鐳.汽車產(chǎn)業(yè)正邁向第三次工業(yè)革命新時代［J］.上海汽車,，2014（11）：1-2. ［2］ 羅艷托,，湯湘華.全球電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢［J］.國際石油經(jīng)濟，2018,，26（7）：58-64. ［3］ BELINGARDI G,，BEYENE A T，KORICHO E G.Geometrical optimization of bumper beam profile made of pultruded composite by numerical simulation［J］.Composite Structures,，2013,，102：217-225. ［4］ 吳方賀.碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機罩結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化［D］.長春：吉林大學(xué)，2017. ［5］ 張君媛,，姜哲,，李仲玉，等.基于抗撞性的汽車B柱碳纖維加強板優(yōu)化設(shè)計［J］.汽車工程,，2018,，40（10）：1166-1171，1178. ［6］ HARTMANN M,，ROSCHITZ M,，KHALIL Z.Enhanced battery pack for electric vehicle：noise reduction and increased stiffness［J］.Materials Science Forum，2013,，765：5. ［7］ 朱新春.電動汽車電池倉結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計［D］.長春：吉林大學(xué),，2018. ［8］ 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)：GB／T31467.3—2015［S］.2015. ［9］ 王芳，夏軍.電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計［M］.北京：科學(xué)出版社,，2018. ［10］ ASTM International.Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials：ASTM D3039—14［S］.West Conshohocken：ASTM,，2014. ［11］ ASTM International.Standard test method for in-plane shear response of polymer matrix composite materialsby tensiletest of±45 laminate：ASTM D3518M—13［S］.West Conshohocken：ASTM，2013. ［12］ 范金娟.聚合物基復(fù)合材料構(gòu)件失效分析基礎(chǔ)［M］.北京：國防工業(yè)出版社,，2011. ［13］ 張向峰.動車組碳纖維材料設(shè)備艙骨架力學(xué)性能研究［D］.青島：青島科技大學(xué),，2017.
|
