汪佳农，赵晓昱*
( 上海工程技术大学汽车工程学院，上海201600)
摘要：依据复合材料重量轻，比强度、比刚度高等优点，针对某企业现有的某型号电动汽车电池箱结构进行轻量化设计，目的是减轻该电动汽车的重量。本研究以应用软件Patran＆Nastran 为分析平台，利用有限元分析方法，对比钢与碳纤维/环氧树脂复合材料两种材料的电池箱结构各自的承载性能，设计了合理的碳纤维/环氧电池箱。在Tsai-wu 强度理论的基础上，对碳纤维/环氧电池箱进行了强度校核。结果表明，在减轻了该电池箱64%重量的前提下，电池箱的承载性能没有降低。
关键词：电池箱；碳纤维；有限元分析；轻量化设计；强度校核
1 引言
当下，由于能源问题和环境问题的严峻性日益严重，新能源的研究已成为当今制造业的重点，而电动汽车的研究更是我国交通运输业的战略重点。
电池箱总成在新能源汽车结构中占据了重要的位置。在为新能源汽车提供了有效的能源以及动力的同时，由于单个电池的电荷相对较小，需要的数量大，造成电池箱总成过重，从而会影响汽车的加速性能和能达到的最高车速。目前电池箱总成本身占据了汽车总重的25% ～ 30%，由于电池箱总成本身消耗了大量的电池效能，因此减轻电池箱的重量已经成为新能源汽车发展的当务之急。
现如今，汽车的电池箱一直采用耐疲劳性能极好的钢质材料来制造，并且应用开发技术已日趋成熟。文献介绍了在不同工况下的电动汽车电池箱强度分析，并且对电池箱的结构进行了优化设计研究，通过对电池箱局部结构进行了改进和优化，进而改善了局部结构上的应力集中情况，使电池箱的结构强度得到了提升。Hartmann 等在有限元软件中对电池箱结构进行了优化设计，使电池箱的固有频率得到提高，并减小了电池箱的壁厚，在原有的结构基础上直接减少了电池箱20%的重量。虽然这些学者对电动汽车的结构进行了优化设计，并且成功地减轻了金属电池箱的重量，但是却依然改变不了金属电池箱过重的事实。用金属材料设计的电池箱不仅自身重量过大，浪费汽车能源的利用率，同时与碳纤维、玻璃纤维等复合材料相比，其比强度低、密封性低也成为重要的缺陷。
近年来，复合材料以其质量轻、比强度高、比刚度高并且可一体化设计等特点，在汽车工业方面已经得到非常广泛的应用。国内外相关学者对汽车轻量化的研究已经取得了丰硕的成果，如今，在汽车悬架、车身、轮毂等相应的结构上都应用了复合材料，从而来实现汽车的轻量化。
而现在汽车电池箱过重已经成为电动汽车发展的阻碍，在前人的研究基础上，本文采用碳纤维/环氧树脂复合材料来实现汽车电池箱的轻量化，并且成功减轻了汽车电池箱60%左右的重量。
2 电池箱的基本参数设置
2. 1 电池单体尺寸
本文研究课题为某公司大型环卫电动汽车电池箱的轻量化设计，所采用的电池为磷酸铁锂电池，电池单体重量为5. 6 kg。每辆车共计由八个电池箱组成，其中每个电池箱每箱应安装36 节蓄电池，即电池箱需要承载的重量为201. 6 kg。其中电池单体的尺寸如图1 所示。
图1 电池箱的基本参数
2. 2 电池箱的建模
本文所研究的电池箱结构包括电池箱的下箱体和其顶盖两个重要组成部分。电池箱下箱体由电池箱底板、侧围和焊接在其上的框架、托架、加强肋等组成。而电池箱的顶盖则通过螺栓与电池箱下箱体相连接，其他结构通过焊接相连接。
电池组的重力是箱体受力的主要来源，电池箱的托架通过与汽车悬架相连接，承受来自于电池组的重力，因为没有任何形式的力作用在电池箱顶盖上，并且只是作为电池箱的密封结构。所以本文分析的重点是电池箱下箱体的结构强度。
先在CATIA 进行下箱体的三维几何建模，导入Patran 进行前处理，完成后用Nastran 进行求解分析。模型结果如图2 所示，长度为926 mm，宽为564mm，高为300 mm，厚度为3 mm。
图2 电池箱的三维模型
3 电池箱的有限元分析
3. 1 有限单元和网格
本文采用SHELL 单元分别对两个模型进行网格划分，过公共节点保证每个单层板之间位移的连续性。而对复合材料模型进行分析，则采用具有较好非线性特性的SHELL 单元，可针对复合材料的铺层方式进行设计。层合板的铺层方式为( 0/90/ ±45)
s，其中每层为0. 5 mm，电池箱的总厚度为4 mm。
3. 2 设定电池箱的边界条件
将CATIA 中的三维模型导入有限元前处理软件Patran 中，运用结构静力分析的方法，在电池箱结构的自身惯性力对分析过程的影响下，分析结构应力、应变和位移情况。对于本文所研究的对象，载荷来自于电池的重力。通过查找国内汽车行业的相关文献资料，可得到电动汽车颠簸工况下的最大加速度为2g( 方向垂直向上) ，急刹车工况下的加速度为g( 方向为汽车行驶的反方向) ，急拐弯工况下的加速度为0. 4 g( 方向向左) ，其中g 的大小为9. 8 m/s2。向左的加速度取为1g，可增加电池箱分析的可靠性。
3. 3 金属电池箱的有限元分析
对电池箱的三维模型进行网格划分、添加边界条件，采用的材料是Q235 钢，其具体的材料属性如表1 所示。
由于电池箱的顶盖、侧翼及其控制盒等零部件并不是结果分析的侧重点，故对模型进行简化处理，添加相应的边界条件。进行结果后处理，得到最终位移、应变的结果分布云图，见图3、图4。
图3 电池箱的应变云图
图4 电池箱Von mises 应力云图
3. 4 复合材料电池箱的有限元分析
本文使用的是碳纤维/环氧树脂复合材料。其中复合材料的铺层设计主要有以下两种方式: ①按载荷分量的分布情况来设计纤维取向，可以最大限度地利用纤维特性来承担载荷的分布; ②利用铺层“剪裁”设计，以获得结构所需的刚度特性，特别是其独有的耦合刚度。本文的铺层方式为［0 /90 /45 /45］s( s = 2) ，每层厚度为0. 5 mm;
(1) 单层板的弹性常数
碳纤维/环氧树脂复合材料的单层板基本性能参数如下所示，其中碳纤维的体积分数νf = 0. 7。同时，通过查表可得碳纤维/环氧树脂复合材料的性能参数为E1 = 181 GPa，E2 = 10. 3 GPa，E3 = 10. 3 GPa，G12 = 7. 17 GPa，G13 = 7. 17 GPa，G23 = 4. 185 GPa。
对电池箱的有限元模型进行结构分析，得出的最终应力、应变结果云图如图5、图6 所示。
图5 复合材料电池箱σ1的应力云图
图6 复合材料电池箱σ2的应力云图
图7 复合材料电池箱τ12的应力云图
从复合材料的静力分析可以很容易得出最大主应力σ1 = 73. 1 MPa、σ2 = 39. 7 MPa 以及剪切应力τ12 = 13. 2 MPa，为碳纤维/环氧树脂复合材料的强度校核提供了基础，同时也可以看出在增强了材料1mm 厚度后，使整个电池箱的强度得到了很大程度的提升。
3. 5 复合材料层合板的强度校核
相对于各向同性的材料而言，复合材料的损伤机理比较复杂，其强度准则也相对较多，而Tsai-wu强度准则是其中应用最广的一种，该准则是一种形式全面的张量多项式准则，具体表达式为:
由上式可以看出，该电池箱的设计是符合安全标准的。
通过Tsai-wu 强度准则对复合材料汽车电池箱的验证，确认碳纤维/环氧树脂复合材料的电池箱的最大应力在极限强度范围内，并且可以满足材料的强度要求，所以用纤维/环氧树脂复合材料来代替Q235 钢来设计电池箱是可行的，在减轻电池箱重量的情况下，强度也同样满足使用规范。
4 优化结果
两种情况下电动汽车电池箱目标函数电池箱的质量分别为35. 2 kg 和12. 4 kg，且电池箱的最大应力分别为73. 1 MPa 和81 MPa，都在材料的屈服极限范围之内，符合设计要求，虽然为了满足刚度要求，使用碳纤维/环氧树脂复合材料改进电池箱之后，电池箱的壁厚增加了1 mm，但是优化后，目标函数电池箱质量却减少了22. 8 kg，改善前后应力与重量的对比结果如表2 所示。
5 结论
本文通过使用有限元软件Patran＆Nastran 来计算某种大型环卫车电池箱在固定工况下的结构强度，并利用碳纤维/环氧树脂复合材料对该车型的电池箱进行了轻量化的设计，得出结论如下：
(1) 通过对复合材料的研究发现，传统金属电池箱的重量过大，浪费汽车动力系统的利用效率，可以用复合材料进行改进;
(2) 分别对碳纤维/环氧树脂复合材料与传统金属材料进行分析，并通过对比，发现复合材料在减轻汽车电池箱重量的方面有着明显的效果，成功地降低了汽车电池箱体64%以上的重量，且该复合材料能够满足GB 17354—1998 的标准要求，节省了汽车的能源利用率，可以用于电动汽车的开发研究;
(3) 运用Tsai-wu 强度理论对复合材料电池箱进行强度校核。在该环卫车的实际使用结果上来看，并没有出现严重变形和开裂等异常情况，达到了车辆运行的标准。
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