纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋪層對(duì)新能源汽車(chē)電池上蓋模態(tài)的影響

譚敦厚 王燕 單豐武

1.湖南三合汽車(chē)新材料有限公司 湖南省長(zhǎng)沙市 410323 2.江鈴集團(tuán)新能源汽車(chē)有限公司 江西省南昌市 330013

1 引言

為響應(yīng)節(jié)能減排的新法規(guī)，新能源汽車(chē)已經(jīng)成了目前的發(fā)展熱點(diǎn)，對(duì)于新能源電動(dòng)汽車(chē)，受限于電池能量密度，其續(xù)航里程與燃油車(chē)有較大差距，這也是限制其銷量的主要原因之一，減重成了解決續(xù)航里程的重要手段。復(fù)合材料密度低，比強(qiáng)度、比剛度較高，且其耐腐蝕抗疲勞性能均優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料，在飛機(jī)機(jī)身上已有成熟應(yīng)用，成功為其減去了大部分重量，有鑒于此，汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始嘗試使用復(fù)合材料替換部分零件，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。電池箱蓋已經(jīng)逐步采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，由于纖維材料的各向異性有別于傳統(tǒng)材料，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也存在巨大差別[1]，本文針對(duì)某型號(hào)電池箱蓋，利用CAE分析軟件調(diào)查纖維鋪層對(duì)該結(jié)構(gòu)的影響，試圖找出有利于提高其一階模態(tài)的鋪層方式，為同類型的結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

復(fù)合材料指兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料通過(guò)特定的工藝復(fù)合而成的新型材料，目前在汽車(chē)上使用的復(fù)合材料，主要采用纖維作為增強(qiáng)體，樹(shù)脂作為基體。由于纖維材料的性能主要沿纖維方向分布，因此該材料復(fù)合后呈現(xiàn)強(qiáng)烈的正交各向異性。結(jié)構(gòu)的性能由纖維方向的分布和鋪層方式?jīng)Q定，理論上有無(wú)限多種鋪層，實(shí)際上，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和工藝的流程，只采用0°、45°、90°、-45°四個(gè)方向進(jìn)行鋪層，現(xiàn)有的大部分研究都是在此基礎(chǔ)開(kāi)展的。

汽車(chē)上主要采用以玻璃纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料。玻璃纖維具有耐熱、絕緣性好、線膨脹系數(shù)小、抗腐蝕性好、不易老化、不發(fā)霉等特性[2]，且復(fù)合材料起步于玻璃纖維的研究與應(yīng)用，相關(guān)的技術(shù)比其他增強(qiáng)纖維較為成熟，玻璃纖維較低的成本也是推動(dòng)其廣泛使用的原因之一。環(huán)氧樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度高，工藝性好，收縮率低，化學(xué)穩(wěn)定性好，雖然價(jià)格比較高，但是由于它的綜合性能最好，仍有廣泛的應(yīng)用。本文選用市面上已有的某款材料進(jìn)行分析，其性能如表1所示。

3 有限元模型的建立

為了減輕重量，某新能源電動(dòng)汽車(chē)的電池上蓋選用復(fù)合材料制作，并對(duì)結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，電池上蓋雖然是非承力件，但是設(shè)計(jì)要求其固有頻率高于30Hz[3]，以避免共振的發(fā)生。圖1為某款電池箱蓋結(jié)構(gòu)示意圖，整體壁厚3mm，網(wǎng)格尺寸為5，有限元模型單元數(shù)83867，節(jié)點(diǎn)數(shù)83791。計(jì)算時(shí)約束法蘭邊上螺栓孔的平動(dòng)，定義電池箱蓋的長(zhǎng)度為鋪層的0°方向。

圖1 電池箱蓋有限元模型

4 鋪層方式對(duì)模態(tài)的影響

4.1 單一方向鋪層對(duì)模態(tài)的影響

首先，研究四個(gè)方向的鋪層對(duì)模態(tài)的影響，設(shè)置所有鋪層為同一方向，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 計(jì)算所用材料性能參數(shù)

表2 四個(gè)方向鋪層計(jì)算結(jié)果

表3 四種鋪層計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，鋪層全為同一方向時(shí)，電池箱蓋的模態(tài)均低于30Hz，不滿足要求。當(dāng)纖維方向?yàn)?°時(shí)，頻率最低，為14.83 Hz，當(dāng)纖維方向?yàn)椤?5°時(shí)，頻率有所提高，纖維方向?yàn)?5°時(shí)的頻率最高，為18.56 Hz，頻率提高25%左右。查看四種方向鋪層的振型圖（圖2所示），0°和90°鋪層的振型類似，其結(jié)果也接近，45°和-45°鋪層的振型幾乎是對(duì)稱的，頻率略有差別，這種差別是由于結(jié)構(gòu)并不是完全對(duì)稱造成的。

圖2 四個(gè)方向鋪層一階模態(tài)振型

4.2 多方向鋪層對(duì)模態(tài)的影響

實(shí)際上，大部分結(jié)構(gòu)的鋪層并不是單一方向的，且多數(shù)的鋪層設(shè)計(jì)遵循對(duì)稱均衡的原則。由于材料的單層厚度為0.3mm，電池上蓋的壁厚為3mm，共需要10層，按照對(duì)稱均衡的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)鋪層后，有一個(gè)方向的鋪層占40%，其他三個(gè)方向的鋪層各占20%，初步設(shè)計(jì)四種鋪層進(jìn)行計(jì)算：

（1）4 5°方向鋪層比例為4 0%，45°/0°/-45°/90°/45°/45°/90°/-45°/0°/45°；

（2）-45°方向鋪層比例為40%，45°/0°/-45°/-45°/90°/90°/-45°/-45°/0°/45°；

（3）0°方向鋪層比例為4 0%，4 5°/0°/0°/-4 5°/9 0°/9 0°/-45°/0°/0°/45°；

（4）9 0°方向鋪層比例為40%，45°/90°/90°/-45°/0°/0°/-45°/90°/90°/45°；

與單一方向的鋪層相比，結(jié)構(gòu)的頻率有了很大的提高（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3），均大于30Hz。45°和-45°方向占40%的兩種鋪層頻率接近，這一點(diǎn)與單一方向鋪層結(jié)果一致。0°方向占40%的鋪層方式頻率最高，為40.4Hz，90°方向占40%的鋪層方式頻率最低，為33.6Hz。四種方式的鋪層振型一致（圖3），且不同于單一方向鋪層的振型。

圖3 四種鋪層一階模態(tài)振型

綜合所有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，電池上蓋的“薄弱”位置在尾部凸臺(tái)的中央。

全0°方向鋪層時(shí)電池上蓋的頻率最低，從尾部凸臺(tái)位置處分析，0°方向垂直于該凸臺(tái)的長(zhǎng)度方向，所以該鋪層的性能最差。

當(dāng)鋪層為全45°（-45°）方向時(shí)，薄弱位置發(fā)生了改變，原因是該方向性能投影到0°和90°方向后，無(wú)論是從整體來(lái)看還是在尾部的凸臺(tái)處，都提高了最弱方向的性能，因此不僅振型發(fā)生改變，頻率也得到提高。

采用均衡對(duì)稱鋪層設(shè)計(jì)后，材料性能均勻分布到各個(gè)方向，使得有明顯短板的方向得到了“補(bǔ)強(qiáng)”，整體的頻率大幅提高，且無(wú)論哪個(gè)方向纖維比例較高，其振型都不會(huì)發(fā)生改變。

由于結(jié)構(gòu)上的“薄弱”部位是尾部凸臺(tái)的中央?yún)^(qū)域，所以垂直于該區(qū)域長(zhǎng)度方向的纖維能提高這個(gè)地方的剛度，這也造成計(jì)算結(jié)果顯示90°方向纖維占40%時(shí)電池上蓋的頻率最高，而0°方向纖維占40%時(shí)頻率最低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某新能源汽車(chē)電池上蓋進(jìn)行模態(tài)分析，并探討纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的鋪層方式對(duì)其影響，可以得出以下結(jié)論：

（1）電池上蓋的“薄弱”位置出現(xiàn)在高度較高的凸臺(tái)上；

（2）多方向的鋪層有利于提高電池上蓋的整體性能；

（3）經(jīng)過(guò)多次計(jì)算，鋪層順序?yàn)?5°/0°/0°/-45°/90°/90°/-45°/0°/0°/45°時(shí)，也就是0°方向纖維占40%時(shí)，電池上蓋的性能達(dá)到最優(yōu)；

（4）在不改變結(jié)構(gòu)和重量的情況下，可通過(guò)鋪層順序調(diào)整產(chǎn)品的性能，在設(shè)計(jì)上纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有更多的靈活性。