汽車(chē)充電機(jī)支架復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

劉梁 邱睿 朱浩 曹清林

摘 要：為了降低充電機(jī)支架的重量，采用18層碳纖維復(fù)合材料片材，設(shè)置為兩組、鋪層角度分別為90°、45°、0°、-45°、0°、90°、45°、0°、-45°，壓制成型的支架結(jié)構(gòu)替代原鋁制件支架結(jié)構(gòu)。分析了支架在顛簸、剎車(chē)、左急轉(zhuǎn)彎、右急轉(zhuǎn)彎、左急轉(zhuǎn)彎及剎車(chē)聯(lián)合五種工況下，支架的應(yīng)力、應(yīng)變，結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料支架的應(yīng)變?cè)诟鞴r下均比原鋁制件小，最大減小達(dá)38.64%; 應(yīng)力最大值在顛簸、左急轉(zhuǎn)彎、右急轉(zhuǎn)彎三種工況下均比原鋁制件小，最大減小達(dá)40.87%; 在剎車(chē)以及左急轉(zhuǎn)彎與剎車(chē)聯(lián)合工況下，復(fù)合材料件的應(yīng)力超過(guò)了原鋁制件的應(yīng)力，最大超過(guò)比值4.28%，但最大應(yīng)力仍小于材料的極限強(qiáng)度。設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料支架重量0.277Kg，與原鋁制件相比，減重達(dá)27.49%。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;充電機(jī)支架;應(yīng)力;應(yīng)變

輕量化是車(chē)輛設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一，零部件的輕量化是達(dá)到整車(chē)減重的關(guān)鍵。一般有兩種方法實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零件的輕量化，一是零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，二是采用較輕的材料。

無(wú)論是原先采用的金屬材料還是替代金屬材料采用的較輕的材料，零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化一直是重要的研究?jī)?nèi)容。汽車(chē)電瓶箱支架、發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩板等，采用拓?fù)湫蚊猜?lián)合優(yōu)化的方式對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-4]，或采用自由尺寸優(yōu)化方法對(duì)蓄電池殼體和驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6]，均可以降低零件重量。

采用輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零件輕量化的重要手段之一，又分為金屬基和非金屬基兩大類(lèi)，金屬基材料如鋁合金[7]、鎂合金[8]等，非金屬基材料如塑料、纖維復(fù)合材料等。目前，纖維復(fù)合材料在汽車(chē)零件輕量化應(yīng)用中起著重要作用。采用碳纖維和玻璃纖維編織而成的混雜纖維復(fù)合材料替代汽車(chē)頂蓋中橫梁的原鋼制材料件[9]，不僅滿足力學(xué)性能要求，而且實(shí)現(xiàn)了零件的輕量化。采用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料制作汽車(chē)底護(hù)板[10]，碳纖維復(fù)合材料電池箱等零件[11]，均有利于車(chē)身整體的輕量化。

本研究的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)象為充電機(jī)支架，原采用的是鋁質(zhì)材料，現(xiàn)考慮采用碳纖維復(fù)合材料替代，以減輕其重量。

1 充電機(jī)支架結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系

圖1（a）所示是某汽車(chē)充電機(jī)支架安裝在汽車(chē)中的結(jié)構(gòu)，其中，1和4是橫梁，2是充電機(jī)支架，3是充電機(jī)，5是螺栓。充電機(jī)支架2與橫梁1、4通過(guò)點(diǎn)焊連接，充電機(jī)3由螺栓5連接固定在支架2中。

在已有的結(jié)構(gòu)中，充電機(jī)支架2是鋁合金材料，厚度2mm，重量0.382Kg，圖1（b）所示為鋁合金充電機(jī)支架結(jié)構(gòu)，有兩側(cè)面、底面及側(cè)邊和折彎處，整體呈“U”字形結(jié)構(gòu)。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)支架

為了實(shí)現(xiàn)輕量化目的，采用碳纖維復(fù)合材料替代原充電機(jī)支架金屬材料。由于支架中安放充電機(jī)，實(shí)際使用情況表明，2mm厚金屬材料支架一般不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效，只有可能會(huì)發(fā)生剛度失效，因此，用碳纖維復(fù)合材料替代原有金屬材料結(jié)構(gòu)時(shí)，按照等剛度要求設(shè)計(jì)，即在同種工況下，所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料充電機(jī)支架的剛度同等于或優(yōu)于金屬材料支架剛度。

現(xiàn)選用0.15mm厚連續(xù)碳纖維熱固性復(fù)合材料片材為原料，材料屬性編號(hào)為Mat8，經(jīng)試算，18層原料板壓制成型后厚度為2.7mm左右時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)原有金屬材料結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。圖2（a）是鋪層方式，鋪層角度90°、45°、0°、-45°，并以90°、45°、0°、-45°、0°、90°、45°、0°、-45°為一組，依次鋪放18層，即[90/45/0/-45/0/90/45/0/-45]S。

圖2（b）是設(shè)計(jì)出的碳纖維材料支架三維結(jié)構(gòu)，由于采用連續(xù)碳纖維材料，為了減少切斷纖維，避免影響其連續(xù)性，支架整體結(jié)構(gòu)上除了必要的螺栓孔以及線束孔，沒(méi)有設(shè)計(jì)其它減重空隙（孔）。由于是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，與其它金屬件之間無(wú)法采用點(diǎn)焊方式連接，因此，在支架的側(cè)面上設(shè)計(jì)了六個(gè)螺栓通孔，采用螺栓連接的方式與橫梁1、4相連接，使得充電機(jī)支架能夠保持固定的位置。另外，在一個(gè)側(cè)面上設(shè)計(jì)了兩個(gè)線束孔，底面上四個(gè)螺栓通孔，連接充電機(jī)。

3 有限元模型及工況

3.1 有限元模型

為了對(duì)支架進(jìn)行仿真分析，需先建立其有限元模型，再進(jìn)行各工況下的仿真分析，得到不同材料支架在不同工況下的應(yīng)力和應(yīng)變。

充電機(jī)支架結(jié)構(gòu)為薄壁，并可近似為等厚零件，可以利用殼單元來(lái)替代實(shí)體進(jìn)行分析。首先將圖1（b）和圖2（b）所示零件模型轉(zhuǎn)換成IGS格式文件，導(dǎo)入Hypermesh軟件，對(duì)實(shí)體抽取中面，得到片體，再對(duì)片體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖3為兩種材料支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的有限元模型，鋁制件的網(wǎng)格數(shù)及節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4142個(gè)和4051個(gè)，碳纖維復(fù)合材料制件的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為3633個(gè)和3813個(gè)。為了更好地模擬邊界條件，采用RBE2剛性單元來(lái)模擬充電機(jī)支架與其它部件之間的螺栓連接關(guān)系，材料屬性以及支架厚度如表1所示。

3.2 載荷工況

設(shè)充電機(jī)重量均勻分布于支架底面，利用Hypermesh軟件求取支架的質(zhì)心S點(diǎn)的位置，用RBE3建立質(zhì)點(diǎn)S與支架底面上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)Pi之間的柔性連接，如圖4所示，這樣在分析各個(gè)工況情況下的支架受力，只需要在其底面質(zhì)心S點(diǎn)上施加外載荷。

選取汽車(chē)在道路上行駛可能遇到的五種工況，即顛簸、剎車(chē)、左急轉(zhuǎn)彎、右急轉(zhuǎn)彎、左急轉(zhuǎn)彎及剎車(chē)聯(lián)合，通過(guò)這些工況來(lái)分析充電機(jī)支架的靜態(tài)特性。在圖4中，以支架質(zhì)心S點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立坐標(biāo)系xyz-O。五種工況情況下施加載荷作用點(diǎn)為S點(diǎn)，根據(jù)工況不同，確定沿x、y、z施加載荷的方向和大小，具體如表2所示，載荷大小為充電機(jī)重量的倍數(shù)，正、負(fù)號(hào)表示施加載荷的方向。圖4所示為充電機(jī)支架剎車(chē)載荷工況情況下，施加的載荷Fy和Fz。

4 有限元分析

4.1 顛簸工況

該工況模擬汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，發(fā)生顛簸引起車(chē)身在垂直方向上的振動(dòng)變形。在顛簸工況下，設(shè)充電機(jī)支架承受充電機(jī)四倍重量載荷，即，F(xiàn)z—Z方向載荷，m—充電機(jī)質(zhì)量5.2kg，g=9.8N/m2。支架上與其它部件連接的四個(gè)螺栓孔施加固定約束，在質(zhì)心S點(diǎn)、Z方向上施加載荷-203.84N，得到金屬材質(zhì)與復(fù)合材料充電機(jī)支架的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

由圖5，兩種材料情況下最大應(yīng)變區(qū)域在支架底面的兩側(cè)邊中間對(duì)稱位置，最大應(yīng)力集中分布在支架的折彎處。鋁制件和碳纖維復(fù)合材料支架的最大應(yīng)力分別為32.35和19.55MPa，均未超過(guò)各自材料的強(qiáng)度極限（表1），且后者比前者最大應(yīng)力降低了39.57%。鋁制件和碳纖維復(fù)合材料支架的最大應(yīng)變位移分別為0.5698和0.4243mm，后者比前者最大應(yīng)變值降低了25.54%。由于復(fù)合材料支架的最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，且其最大應(yīng)力和最大應(yīng)變都小于原先鋁制件的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變，說(shuō)明復(fù)合材料支架滿足顛簸工況設(shè)計(jì)要求。

4.2剎車(chē)工況

該工況模擬汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，前方發(fā)生緊急情況導(dǎo)致汽車(chē)緊急制動(dòng)而引起的車(chē)身結(jié)構(gòu)件變形。在剎車(chē)工況下，充電機(jī)支架主要承受兩個(gè)方向的載荷，即—Y方向載荷。支架上與其他部件連接的四個(gè)螺栓孔施加固定約束，在質(zhì)點(diǎn)S點(diǎn)、Z方向上施加重力載荷-50.96N，Y方向上施加制動(dòng)載荷-50.96N，得到金屬材質(zhì)與復(fù)合材料充電機(jī)支架的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

由圖6，金屬與復(fù)合材料的最大應(yīng)變區(qū)域都在支架底面的兩側(cè)邊靠近螺栓孔處，最大應(yīng)力在支架與橫梁的螺栓連接孔處，且在支架折彎處有應(yīng)力集中。鋁制件與碳纖維復(fù)合材料制件的最大應(yīng)力分別為32.92和33.84MPa，兩者都未超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，后者比前者最大應(yīng)力值增加了2.79%。鋁制件與碳纖維復(fù)合材料支架的最大應(yīng)變位移分別為0.2193和0.2019mm，后者比前者最大應(yīng)變位移降低了7.93%。由于復(fù)合材料支架的最大應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限，且最大應(yīng)變小于原鋁制件支架的最大應(yīng)變，滿足等剛度設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明復(fù)合材料支架滿足剎車(chē)工況設(shè)計(jì)要求。

4.3 向左急轉(zhuǎn)彎工況

該工況主要是模擬汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，前方發(fā)生緊急情況導(dǎo)致汽車(chē)向左急轉(zhuǎn)彎而引起的車(chē)身結(jié)構(gòu)件變形。在左急轉(zhuǎn)彎工況下，充電機(jī)支架需要承受兩個(gè)方向的載荷，即—X方向載荷。支架上與其他部件連接的四個(gè)螺栓孔施加固定約束，在質(zhì)心S點(diǎn)的Z方向上施加重力載荷-50.96N，X方向上施加轉(zhuǎn)彎載荷-50.96N，得到的金屬材質(zhì)與復(fù)合材料的充電機(jī)支架的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。

由圖7，金屬材質(zhì)與復(fù)合材料的充電機(jī)支架最大應(yīng)變區(qū)域集中在支架底面的側(cè)邊中間位置處，而最大應(yīng)力集中分布在支架底面?zhèn)冗吢菟滓约罢蹚澨?。鋁制件支架與碳纖維復(fù)合材料支架的最大應(yīng)力分別為12.02和7.109MPa，均未超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，且后者比前者最大應(yīng)力值降低了40.87%。鋁制件支架與碳纖維復(fù)合材料支架的最大應(yīng)變位移為分別為0.2179和0.1337mm，后者比前者最大應(yīng)變位移降低了38.64%。由于復(fù)合材料支架的最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，且其最大應(yīng)變位移小于原鋁制件的最大應(yīng)變值，說(shuō)明該復(fù)合材料支架完全滿足左急轉(zhuǎn)彎工況設(shè)計(jì)要求。

4.4 向右急轉(zhuǎn)彎工況

該工況主要是模擬汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，前方發(fā)生緊急情況導(dǎo)致汽車(chē)向右急轉(zhuǎn)彎而引起的車(chē)身結(jié)構(gòu)件變形。在右急轉(zhuǎn)彎工況下，充電機(jī)支架需要承受兩個(gè)方向的載荷，即。支架上與其他部件連接的四個(gè)螺栓孔施加固定約束，在質(zhì)心S點(diǎn)的Z方向上施加重力載荷-50.96N，X方向上施加轉(zhuǎn)彎載荷50.96N，得到金屬材質(zhì)與復(fù)合材料的充電機(jī)支架的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。

由圖8，鋁制件與碳纖維復(fù)合材料制件的最大應(yīng)變區(qū)域都集中在支架底面的側(cè)邊中間位置處，而應(yīng)力集中分布在支架底面?zhèn)冗吢菟滓约罢蹚澨帯ｄX制件與碳纖維復(fù)合材料制件的最大應(yīng)力分別為12.12和7.477MPa，兩者都沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，且后者比前者在最大應(yīng)力值上降低了38.31%;鋁制件與碳纖維復(fù)合材料制件的最大應(yīng)變位移分別為0.2178和0.1345MPa，后者比前者最大應(yīng)變位移降低了38.25%。由于復(fù)合材料支架的最大應(yīng)力未超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，且其最大應(yīng)變位移小于原鋁制件的最大應(yīng)變值，說(shuō)明該復(fù)合材料支架完全滿足向右急轉(zhuǎn)彎工況設(shè)計(jì)要求。

4.5 向左急轉(zhuǎn)彎和剎車(chē)聯(lián)合工況

該工況主要是模擬汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，前方發(fā)生緊急情況導(dǎo)致汽車(chē)向左急轉(zhuǎn)彎并剎車(chē)而引起的車(chē)身結(jié)構(gòu)件變形。在此工況下，充電機(jī)支架需要承受三個(gè)方向的載荷，即。支架上與其他部件連接的四個(gè)螺栓孔施加固定約束，在質(zhì)心S點(diǎn)的Z方向上施加重力載荷-101.92N，X方向上施加轉(zhuǎn)彎載荷-50.96N ，Y方向上施加轉(zhuǎn)彎載荷-50.96N。得到的金屬材質(zhì)與復(fù)合材料的充電機(jī)支架的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖9所示。

由圖9，兩種材料制件的最大應(yīng)變區(qū)域都集中在支架底面的側(cè)邊中間位置，而最大應(yīng)力集中分布在支架與橫梁螺栓連接處，且在折彎處也有應(yīng)力集中。鋁制件和碳纖維復(fù)合材料制件的最大應(yīng)力分別為34.35和35.82MPa，兩者都沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，但后者比前者最大應(yīng)力值增加了4.28%;鋁制件和碳纖維復(fù)合材料制件的最大應(yīng)變位移分別為0.3897和0.2834MPa，后者比前者最大應(yīng)變位移上降低了27.28%。由于復(fù)合材料支架的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，且其最大應(yīng)變位移小于原鋁制件的最大應(yīng)變值，說(shuō)明該復(fù)合材料支架完全滿足該工況的設(shè)計(jì)要求。

五種工況情況下，鋁制件與碳纖維復(fù)合材料件支架的應(yīng)力與應(yīng)變值分別如表3和表4所示，復(fù)合材料件支架的應(yīng)變?cè)诟鞴r下均比原鋁制件小，在剎車(chē)以及左急轉(zhuǎn)彎與剎車(chē)聯(lián)合工況下，復(fù)合材料件的應(yīng)力超過(guò)了原鋁制件的應(yīng)力，但最大應(yīng)力仍小于材料的極限強(qiáng)度。

上述設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料件質(zhì)量0.277Kg，與鋁制件相比，減重效果達(dá)27.49%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)碳纖維復(fù)合材料替代原鋁制件充電機(jī)支架金屬材料，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，充電機(jī)支架的重量從原先的0.382Kg減少到0.277Kg，減重效果為27.49%，體現(xiàn)了復(fù)合材料比強(qiáng)度大，比模量高的特點(diǎn)。

通過(guò)建立的充電機(jī)支架有限元模型，進(jìn)行了顛簸、剎車(chē)、左急轉(zhuǎn)彎、右急轉(zhuǎn)彎、左急轉(zhuǎn)彎和剎車(chē)聯(lián)合五種工況的靜力學(xué)分析。由各工況下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，碳纖維復(fù)合材料支架的應(yīng)變最大值在各工況下均比原鋁制件小，最大減小達(dá)38.64%，應(yīng)力最大值在顛簸、左急轉(zhuǎn)彎、右急轉(zhuǎn)彎三種工況下均比原鋁制件小，最大減小達(dá)40.87%，但在剎車(chē)以及左急轉(zhuǎn)彎與剎車(chē)聯(lián)合工況下，復(fù)合材料件的最大應(yīng)力超過(guò)了原鋁制件的最大應(yīng)力，超過(guò)值最大達(dá)4.28%，但最大應(yīng)力仍小于材料的極限強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周利，王淼，陸豪，魯曉虎.基于Optistruct的某電瓶箱支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2018（18）：155-158.

[2]劉迪輝，謝新艷.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2017（12）：149-152.

[3]季學(xué)榮，丁曉紅.基于拓?fù)浜托蚊矁?yōu)化的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27（01）：35-38.

[4]石琴，盧利平.基于有限元分析的發(fā)動(dòng)機(jī)罩拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（06）：31-33.

[5]胡仁祥，周金宇.碳纖復(fù)合材料汽車(chē)蓄電池殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（12）：229-233.

[6]宋曉飛，林榮會(huì)，李帥朝等.基于Optistruct的驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動(dòng)，2019，43（04）：83-88.

[7]謝暉，李全.鋁合金材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)罩板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（02）：42-44.

[8]高云凱，林典，余海燕，邵力行.鎂合金在座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（07）：938-942.

[9]段瑛濤，張肖肖，王志文等.編織復(fù)合材料頂蓋中橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證[J].汽車(chē)工藝與材料，2019（01）：51-55.

[10]胡章平，楊旭靜，袁振松，鄭娟.LGFRPP轎車(chē)底護(hù)板模壓成型工藝研究[J].工程塑料應(yīng)用，2015，43（08）：51-55.

[11]汪佳農(nóng)，趙曉昱.碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料電池箱的輕量化研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2016（12）：99-102.

作者簡(jiǎn)介：劉梁（1995-），男，江蘇人，碩士，主要研究方向：裝備輕量化設(shè)計(jì)與制造。