復合材料汽車蓄電池托盤輕量化設計

馬尚標，邱 睿，周甘華，曹清林

（1.江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213001；2.奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽 蕪湖 241002）

1 引言

隨著科技不斷發展，能源問題和環境保護作為國民經濟可持續發展戰略的重要理念，也越來越受到人們的關注[1]。汽車作為我們日常生活中必不可少的交通工具，成為節能降耗的重點行業。有研究結果表明降低車身質量是節能的首選[2-3]。因此，汽車零件的輕量化設計十分必要。

近年來，在汽車結構件上采用輕質的復合材料替代金屬材料逐漸成為一種趨勢。熱塑性復合材料（FRTP）是[4-6]一種以熱塑性樹脂為基體、以纖維為增強的材料，與汽車傳統材料相比，熱塑性復合材料的密度較低，能夠降低整車的重量，它還具有沖擊韌性好、成型周期短、便于回收再利用[7-8]等優點，因而在汽車結構件上的應用越來越多[9-11]：德國某公司的汽車前端模塊采用熱塑性長纖維增強復合材料工藝成型后，質量相對于傳統材料的質量減輕30%；Honda車型因其采用熱塑性玻璃纖維復合材料制作保險杠橫梁，顯著的減輕了整體質量并且綜合性能優異而在美國的汽車市場名聲顯赫；德國和日本某汽車的前端支架采用FRTP，輕量化效果顯著。

汽車蓄電池托盤作為承載蓄電池的結構件，它的輕量化設計也備受人們的關注。北京某公司的車型的開發過程中，蓄電池托盤采用長玻纖增強熱塑性復合材料（LGF-PP）代替鋼性材料，產品性能可靠，減重效果明顯[12]，驗證了FRTP材料在蓄電池托盤輕量化設計應用的可行性。本設計以某新能源車型蓄電池托盤為設計對象，采用價格更便宜的聚丙烯（PP）樹脂基短切玻纖增強FRTP材料（SFT-PP）代替鋼性材料；結合性能要求、成型工藝及裝配要求，對蓄電池托盤的結構進行設計和優化；使用Solid-Works軟件建立托盤的幾何模型，使用Hyper Work軟件對托盤典型工況進行仿真，檢驗FRTP蓄電池托盤結構設計的可行性和輕量化效果。

2 結構設計和優化

2.1 鋼質蓄電池托盤

某新能源車型中原蓄電池托盤采用厚度為2mm的DC01鋼板沖壓成型，托盤通過壓板、兩根拉桿和螺母與蓄電池固定，稱為“捆綁式”連接方式[12]，蓄電池托盤的裝配關系，如圖1所示。鋼質蓄電池托盤形狀為長方形，如圖2所示。長度方向上的吊耳安裝孔與拉桿尾部掛鉤連接，通過拉桿螺栓施加預緊力矩產生的軸向力來固定蓄電池；蓄電池托盤底面設置有凹槽和減重孔，托盤通過凹槽內的4個螺栓孔與車身支架固定；寬度方向安裝3個限位器。

圖2 鋼質托盤Fig.2 Steel Tray

2.2 短切玻纖FRTP蓄電池托盤

由于短切玻纖FRTP 材料模量（5.5GPa）遠低于鋼性材料（210GPa），對蓄電池托盤結構設計提出了很高的要求。單純按照等效剛度設計原則[12]，整體增加蓄電池托盤的厚度（厚度大約為鋼質托盤的3.8倍），會使托盤非常笨重，無法實現托盤的輕量化。本設計在增加托盤整體厚度的基礎上，通過加強筋設計和主要承載區局部加厚的方法來滿足托盤安全使用的性能要求。FRTP蓄電池托盤結構設計從性能要求入手，同時考慮成型工藝和安裝要求，具體結構，如圖3所示。

圖3 短切玻纖FRTP托盤Fig.3 Short-Cut Glass Fiber FRTP Tray

剛度要求層面：為兼顧托盤整體剛度和輕量化要求，將FRTP蓄電池托盤的整體厚度增加到3mm；為增加托盤四周邊緣的剛度，在托盤四周設計寬度為10mm的翻邊；為保證托盤底面的剛度，在托盤下底面設計寬3.5mm，高15mm加強筋，上底面設計寬2.8mm，高6mm的加強筋；托盤與支架連接處的螺栓孔應力較大，將螺栓孔部位局部增厚至4mm；為提高托盤吊耳處的剛度，將吊耳的厚度增加到35mm，并在吊耳底面嵌入直徑為12mm的鋼制墊片。

安裝要求層面：為了便于托盤與限位器裝配，將原鋼質托盤不同朝向的限位安裝孔統一翻轉至孔位朝上；蓄電池托盤的翻邊內側設計限位凸臺，便于蓄電池的定位和固定；為防止蓄電池與托盤固定時拉桿軸向力太大造成FRTP 吊耳處破壞，將拉桿與FRTP托盤吊耳處的固定形式由掛鉤改為螺栓連接。

成型工藝層面：為滿足剛度要求，FRTP 吊耳處厚度較厚（35mm），成型時吊耳內部會產生熱應力集中而發生變形，因此將吊耳內部掏空呈“藕芯”結構（藕芯結構并不是貫穿吊耳，掏空的厚度為31.5mm），通過螺栓孔周圍的發散形加強筋提高剛度；在設計托盤底面加強筋時，為防止筋高太高給脫模帶來困難，將加強筋分布在托盤上下底面上，從而降低托盤底面單側筋高；為了方便成型后脫模，托盤結構設計3°的拔模斜度。

3 有限元建模及仿真

按照有限元分析步驟，首先建立托盤的幾何模型，對托盤進行網格劃分，劃分后檢查并修正網格質量，再對劃分好的網格模型定義材料屬性、邊界條件及加載條件，就得到一個可靠精度的托盤有限元模型[13-14]，如圖4所示的兩種材料的有限元模型。本設計采用Solid Works 三維軟件建立托盤的幾何模型，再通過STEP格式將此模型導入Hyper Works有限元分析軟件。

3.1 幾何模型處理

劃分網格前，我們需要對模型進行幾何清理以保證網格的質量，托盤上表面的限位凸臺處有較小的倒圓角，在有限元分析中，這種較小的且對工況分析影響不大的倒圓角，會給接下來的網格劃分帶來不必要的麻煩，不僅會增加網格的夾克比，而且也降低了網格的質量，影響到分析結果，因此，我們可以對這些倒圓角進行簡化的幾何處理，采用幾何面板里的刪除命令對這些倒圓角進行刪除。如圖4所示支架的幾何清理。

圖4 托盤倒圓角的幾何清理Fig.4 Geometric Cleaning of Tray Fillet Corners

3.2 網格劃分

網格劃分是有限元分析的重要環節，網格的質量、數量影響到分析結果的精度?？紤]各種工況條件以及操作簡便性，托盤的網格劃分采用四面體實體網格，考慮托盤的尺寸大小以及計算機的性能，網格尺寸設置為2mm，最小網格尺寸不低于0.5mm。劃分好后的鋼質托盤共有21436個節點和61948個單元網格數，劃分好網格后的FRTP 托盤共有61260個節點和220342個單元網格數。兩種材料的有限元模型，如圖5所示。

圖5 兩種材料的托盤有限元模型Fig.5 Tray Finite Element Model of Two Kinds of Materials

支架、墊片均采用四面體網格劃分，托盤和支架之間的固定采用螺栓連接。本設計采用RBE2剛性單元來模擬螺栓連接，如圖6（a）所示；RBE2單元為剛性單元，主節點與從節點之間構成剛體單元，主從節點之間沒有相對的位移，從節點與從節點之間也沒有相對位移。本設計采用RBE3柔性單元來模擬質心與托盤表面的連接，如圖6（b）所示，圖中點即為質心：多個主節點與單個從節點構成連接關系，主節點的運動方式決定從節點的運動方式。

圖6 兩種連接單元Fig.6 Two Kinds of Connecting Units

3.3 材料屬性定義

網格劃分好后，對零件賦予材料屬性，固定蓄電池托盤的兩根支架賦予鋼性材料，設計優化前后的托盤分別賦予鋼性材料和熱塑性短玻纖復合材料，墊片賦予鋼性材料。各種材料的屬性，如表1所示。

表1 兩種材料的力學性能Tab.1 Mechanical Properties of Two Materials

3.4 工況載荷

蓄電池托盤的受力主要來自于捆綁的蓄電池，該車型中蓄電池的重量為13kG，為保障蓄電池安裝的可靠性，需要對蓄電池托盤在顛簸路面、急轉彎等典型工況下的受力和變形情況進行分析，同時需要校核拉桿與吊耳連接處的強度。為模擬顛簸路面工況下蓄電池托盤的承載情況，將蓄電池托盤與支架螺栓連接，在垂直于托盤底面方向（Z軸方向）施加5倍蓄電池重力的面載荷，載荷施加情況，如圖7（a）所示。在急轉彎的情況下，蓄電池托盤除了受到蓄電池的重力外，還受到一個側向力的作用，因此在模擬側向拐彎工況時，需要同時施加重力（Z軸方向）和側向力（Y軸方向），托盤所受的側向力取2倍蓄電池重力。軟件模擬時將蓄電池托盤上底面的節點與托盤質心進行柔性連接，在質心點處加載，載荷施加情況，如圖7（b）所示。在校核吊耳強度時，直接在托盤兩側吊耳與拉桿連接處施加垂直向上（Z軸方向）的拉伸載荷，加載情況，如圖7（c）所示。拉伸力的大小等于拉桿在預緊力矩作用下產生的軸向拉力。在實際應用中，拉桿所受的擰緊力矩為3N/m，根據預緊力矩與軸向拉力之間的換算關系，計算得出軸向拉力為2500N[17]。典型工況下蓄電池托盤載荷施加情況，如表2所示。

圖7 蓄電池托盤加載示意圖Fig.7 Battery Tray Loading Diagram

表2 三種工況載荷的施加Tab.2 The Application of Three Operating Loads

4 仿真結果分析

4.1 顛簸工況

顛簸工況的應變和應力分布仿真結果，如圖8、圖9所示。

圖8 顛簸工況應變云圖Fig.8 Bumpy Condition Strain Cloud

圖9 顛簸工況應力云圖Fig.9 Bumpy Condition Stress Cloud

由應變分布云圖8 可見，鋼質托盤的最大應變為0.04mm，FRTP托盤的最大應變為0.09mm，兩種材料推盤在顛簸工況下變形很小，都表現出了良好的抗彎剛度。由應力云圖9看出，兩種材料托盤的應力云圖大體上呈對稱分布，應力主要集中在四個螺栓孔連接處。另外，鋼質托盤最大的應力為45.86MPa，小于鋼性材料的屈服強度，FRTP托盤的最大應力為4.58MPa，遠遠小于熱塑性玻纖的破壞強度。

4.2 側向拐彎工況

側向拐彎工況的應變和應力分布仿真結果，如圖10、圖11所示。從圖10的應變分布云圖可見，兩種材料托盤都具有良好的側向剛度，變形很小（鋼質托盤的最大應變為0.01mm，FRTP托盤最大應變為0.03mm）；兩種材料托盤的最大變形主要集中在受側向力的吊耳位置，沿著托盤寬度方向應變量逐漸遞減。

圖10 側向拐彎應變云圖Fig.10 Lateral Bending Strain Cloud

圖11 側向拐彎應力云圖Fig.11 Lateral Bending Stress Cloud

由圖11所示的托盤應力分布云圖可見，鋼質托盤的最大應力為13.71MPa，FRTP托盤的最大應力為1.26MPa，兩種材料托盤的最大應力遠低于材料的屈服或破壞強度，在底盤螺栓連接孔周圍有較明顯的應力集中。

4.3 蓄電池緊固吊耳強度校核

吊耳強度校核的應變和應力分布仿真結果，如圖12、圖13所示。從圖12中應變云圖可以看出，兩種材料托盤的最大的應變集中在托盤吊耳處，鋼質托盤的應變為0.59mm，玻纖托盤的應變為1.42mm，應變由吊耳處向托盤中間位置逐漸遞減。從圖13的應力云圖可以看出，鋼質托盤應力最大為232.10N，主要集中在托盤兩側耳朵處，最大應力小于鋼性材料的屈服強度。FRTP托盤中，最大應力主要集中在托盤上表面的四個螺栓孔處，最大應力為38.20MPa，說明托盤底部加強筋的設計改善了吊耳處的應力集中。FRTP托盤吊耳處的應力為35.72MPa，小于熱塑性玻纖材料的破壞強度。

圖12 吊耳強度校核應變云圖Fig.12 Hanger Strength Check Strain Cloud

圖13 吊耳強度校核應力云圖Fig.13 Hanger Strength Check Stress Cloud

4.4 仿真結果對比

將垂直、側向工況以及吊耳強度校核的分析結果匯總，如表3所示。從表中應力對比結果來看，三種載荷條件下FRTP托盤的安全系數均高于鋼質托盤，尤其在側向拐彎工況下，FRTP托盤的安全系數是鋼質托盤的安全系數的2.5倍，說明FRTP托盤強度滿足設計要求；在應變方面，三種載荷條件下FRTP托盤和鋼質托盤的變形量都很小，滿足剛度設計要求；兩種材料托盤質量對比可見，玻纖托盤質量較鋼質托盤降低了40%以上，輕量化效果顯著。綜上所述，本設計的短切玻纖FRTP材料托盤性能安全可靠，實現了輕量化設計目標。

表3 鋼質托盤和短切玻纖FRTP托盤分析結果對比表Tab.3 Table of Comparison of Analysis Results of Steel Tray and Short-Cut Glass Fiber FRTP Tray

5 結論

本設計采用短切玻纖FRTP代替鋼性材料，結合剛度、安裝以及成型工藝等要求，對蓄電池托盤的結構進行設計和優化，得出以下結論：（1）通過兩種材料托盤的仿真結果對比，發現短切玻纖FRTP托盤的剛度和強度滿足性能要求且FRTP托盤的安全系數優于鋼質托盤，說明FRTP托盤的性能安全可靠，結構設計合理；（2）短切玻纖FRTP托盤的質量相對于鋼質托盤的質量降低了40%以上，輕量化效果顯著；（3）從節能環保的角度看，蓄電池托盤采用短切玻纖FRTP具有廣泛的應用前景。