复合材料汽车蓄电池托盘轻量化设计

来源：1.江苏理工学院机械工程院2.奇瑞新能源汽车技术有限公司

引言

随着科技不断发展，能源问题和环境保护作为国民经济可持续发展战略的重要理念，也越来越受到人们的关注。汽车作为我们日常生活中必不可少的交通工具，成为节能降耗的重点行业。有研究结果表明降低车身质量是节能的首选。因此，汽车零件的轻量化设计十分必要。

近年来，在汽车结构件上采用轻质的复合材料替代金属材料逐渐成为一种趋势。热塑性复合材料（FRTP）是一种以热塑性树脂为基体、以纤维为增强的材料，与汽车传统材料相比，热塑性复合材料的密度较低，能够降低整车的重量，它还具有冲击韧性好、成型周期短、便于回收再利用等优点，因而在汽车结构件上的应用越来越多：德国某公司的汽车前端模块采用热塑性长纤维增强复合材料工艺成型后，质量相对于传统材料的质量减轻30%；Honda车型因其采用热塑性玻璃纤维复合材料制作保险杠横梁，显著的减轻了整体质量并且综合性能优异而在美国的汽车市场名声显赫；德国和日本某汽车的前端支架采用FRTP，轻量化效果显著。

汽车蓄电池托盘作为承载蓄电池的结构件，它的轻量化设计也备受人们的关注。北京某公司的车型的开发过程中，蓄电池托盘采用长玻纤增强热塑性复合材料（LGF-PP）代替钢性材料，产品性能可靠，减重效果明显，验证了FRTP材料在蓄电池托盘轻量化设计应用的可行性。本设计以某新能源车型蓄电池托盘为设计对象，采用价格更便宜的聚丙烯（PP）树脂基短切玻纤增强FRTP材料（SFT-PP）代替钢性材料；结合性能要求、成型工艺及装配要求，对蓄电池托盘的结构进行设计和优化；使用Solid-Works软件建立托盘的几何模型，使用Hyper Work软件对托盘典型工况进行仿真，检验FRTP蓄电池托盘结构设计的可行性和轻量化效果。

2 结构设计和优化

2.1 钢质蓄电池托盘

某新能源车型中原蓄电池托盘采用厚度为2mm的DC01钢板冲压成型，托盘通过压板、两根拉杆和螺母与蓄电池固定，称为“捆绑式”连接方式，蓄电池托盘的装配关系，如图1所示。钢质蓄电池托盘形状为长方形，如图2所示。长度方向上的吊耳安装孔与拉杆尾部挂钩连接，通过拉杆螺栓施加预紧力矩产生的轴向力来固定蓄电池；蓄电池托盘底面设置有凹槽和减重孔，托盘通过凹槽内的4个螺栓孔与车身支架固定；宽度方向安装3个限位器。

图1 蓄电池托盘装配关系
Fig.1 Assembly Relationship of Battery Tray

图2 钢质托盘
Fig.2 Steel Tray

2.2 短切玻纤FRTP蓄电池托盘

由于短切玻纤FRTP 材料模量（5.5GPa）远低于钢性材料（210GPa），对蓄电池托盘结构设计提出了很高的要求。单纯按照等效刚度设计原则，整体增加蓄电池托盘的厚度（厚度大约为钢质托盘的3.8倍），会使托盘非常笨重，无法实现托盘的轻量化。本设计在增加托盘整体厚度的基础上，通过加强筋设计和主要承载区局部加厚的方法来满足托盘安全使用的性能要求。FRTP蓄电池托盘结构设计从性能要求入手，同时考虑成型工艺和安装要求，具体结构，如图3所示。

图3 短切玻纤FRTP托盘
Fig.3 Short-Cut Glass Fiber FRTP Tray

刚度要求层面：为兼顾托盘整体刚度和轻量化要求，将FRTP蓄电池托盘的整体厚度增加到3mm；为增加托盘四周边缘的刚度，在托盘四周设计宽度为10mm的翻边；为保证托盘底面的刚度，在托盘下底面设计宽3.5mm，高15mm加强筋，上底面设计宽2.8mm，高6mm的加强筋；托盘与支架连接处的螺栓孔应力较大，将螺栓孔部位局部增厚至4mm；为提高托盘吊耳处的刚度，将吊耳的厚度增加到35mm，并在吊耳底面嵌入直径为12mm的钢制垫片。

安装要求层面：为了便于托盘与限位器装配，将原钢质托盘不同朝向的限位安装孔统一翻转至孔位朝上；蓄电池托盘的翻边内侧设计限位凸台，便于蓄电池的定位和固定；为防止蓄电池与托盘固定时拉杆轴向力太大造成FRTP 吊耳处破坏，将拉杆与FRTP托盘吊耳处的固定形式由挂钩改为螺栓连接。

成型工艺层面：为满足刚度要求，FRTP 吊耳处厚度较厚（35mm），成型时吊耳内部会产生热应力集中而发生变形，因此将吊耳内部掏空呈“藕芯”结构（藕芯结构并不是贯穿吊耳，掏空的厚度为31.5mm），通过螺栓孔周围的发散形加强筋提高刚度；在设计托盘底面加强筋时，为防止筋高太高给脱模带来困难，将加强筋分布在托盘上下底面上，从而降低托盘底面单侧筋高；为了方便成型后脱模，托盘结构设计3°的拔模斜度。

3 有限元建模及仿真

按照有限元分析步骤，首先建立托盘的几何模型，对托盘进行网格划分，划分后检查并修正网格质量，再对划分好的网格模型定义材料属性、边界条件及加载条件，就得到一个可靠精度的托盘有限元模型，如图4所示的两种材料的有限元模型。本设计采用Solid Works 三维软件建立托盘的几何模型，再通过STEP格式将此模型导入Hyper Works有限元分析软件。

3.1 几何模型处理

划分网格前，我们需要对模型进行几何清理以保证网格的质量，托盘上表面的限位凸台处有较小的倒圆角，在有限元分析中，这种较小的且对工况分析影响不大的倒圆角，会给接下来的网格划分带来不必要的麻烦，不仅会增加网格的夹克比，而且也降低了网格的质量，影响到分析结果，因此，我们可以对这些倒圆角进行简化的几何处理，采用几何面板里的删除命令对这些倒圆角进行删除。如图4所示支架的几何清理。

图4 托盘倒圆角的几何清理
Fig.4 Geometric Cleaning of Tray Fillet Corners

3.2 网格划分

网格划分是有限元分析的重要环节，网格的质量、数量影响到分析结果的精度。考虑各种工况条件以及操作简便性，托盘的网格划分采用四面体实体网格，考虑托盘的尺寸大小以及计算机的性能，网格尺寸设置为2mm，最小网格尺寸不低于0.5mm。划分好后的钢质托盘共有21436个节点和61948个单元网格数，划分好网格后的FRTP 托盘共有61260个节点和220342个单元网格数。两种材料的有限元模型，如图5所示。

图5 两种材料的托盘有限元模型
Fig.5 Tray Finite Element Model of Two Kinds of Materials

支架、垫片均采用四面体网格划分，托盘和支架之间的固定采用螺栓连接。本设计采用RBE2刚性单元来模拟螺栓连接，如图6（a）所示；RBE2单元为刚性单元，主节点与从节点之间构成刚体单元，主从节点之间没有相对的位移，从节点与从节点之间也没有相对位移。本设计采用RBE3柔性单元来模拟质心与托盘表面的连接，如图6（b）所示，图中点即为质心：多个主节点与单个从节点构成连接关系，主节点的运动方式决定从节点的运动方式。

图6 两种连接单元
Fig.6 Two Kinds of Connecting Units

3.3 材料属性定义

网格划分好后，对零件赋予材料属性，固定蓄电池托盘的两根支架赋予钢性材料，设计优化前后的托盘分别赋予钢性材料和热塑性短玻纤复合材料，垫片赋予钢性材料。各种材料的属性，如表1所示。

表1 两种材料的力学性能
Tab.1 Mechanical Properties of Two Materials

3.4 工况载荷

蓄电池托盘的受力主要来自于捆绑的蓄电池，该车型中蓄电池的重量为13kG，为保障蓄电池安装的可靠性，需要对蓄电池托盘在颠簸路面、急转弯等典型工况下的受力和变形情况进行分析，同时需要校核拉杆与吊耳连接处的强度。为模拟颠簸路面工况下蓄电池托盘的承载情况，将蓄电池托盘与支架螺栓连接，在垂直于托盘底面方向（Z轴方向）施加5倍蓄电池重力的面载荷，载荷施加情况，如图7（a）所示。在急转弯的情况下，蓄电池托盘除了受到蓄电池的重力外，还受到一个侧向力的作用，因此在模拟侧向拐弯工况时，需要同时施加重力（Z轴方向）和侧向力（Y轴方向），托盘所受的侧向力取2倍蓄电池重力。软件模拟时将蓄电池托盘上底面的节点与托盘质心进行柔性连接，在质心点处加载，载荷施加情况，如图7（b）所示。在校核吊耳强度时，直接在托盘两侧吊耳与拉杆连接处施加垂直向上（Z轴方向）的拉伸载荷，加载情况，如图7（c）所示。拉伸力的大小等于拉杆在预紧力矩作用下产生的轴向拉力。在实际应用中，拉杆所受的拧紧力矩为3N/m，根据预紧力矩与轴向拉力之间的换算关系，计算得出轴向拉力为2500N 。典型工况下蓄电池托盘载荷施加情况，如表2所示。

图7 蓄电池托盘加载示意图
Fig.7 Battery Tray Loading Diagram

表2 三种工况载荷的施加
Tab.2 The Application of Three Operating Loads

注：X方向是指托盘长度方向；Y方向是指托盘宽度方向；Z方向是指垂直于托盘底面的方向。

4 仿真结果分析

4.1 颠簸工况

颠簸工况的应变和应力分布仿真结果，如图8、图9所示。

图8 颠簸工况应变云图
Fig.8 Bumpy Condition Strain Cloud

图9 颠簸工况应力云图
Fig.9 Bumpy Condition Stress Cloud

由应变分布云图8 可见，钢质托盘的最大应变为0.04mm，FRTP托盘的最大应变为0.09mm，两种材料推盘在颠簸工况下变形很小，都表现出了良好的抗弯刚度。由应力云图9看出，两种材料托盘的应力云图大体上呈对称分布，应力主要集中在四个螺栓孔连接处。另外，钢质托盘最大的应力为45.86MPa，小于钢性材料的屈服强度，FRTP托盘的最大应力为4.58MPa，远远小于热塑性玻纤的破坏强度。

4.2 侧向拐弯工况

侧向拐弯工况的应变和应力分布仿真结果，如图10、图11所示。从图10的应变分布云图可见，两种材料托盘都具有良好的侧向刚度，变形很小（钢质托盘的最大应变为0.01mm，FRTP托盘最大应变为0.03mm）；两种材料托盘的最大变形主要集中在受侧向力的吊耳位置，沿着托盘宽度方向应变量逐渐递减。

图10 侧向拐弯应变云图
Fig.10 Lateral Bending Strain Cloud

图11 侧向拐弯应力云图
Fig.11 Lateral Bending Stress Cloud

由图11所示的托盘应力分布云图可见，钢质托盘的最大应力为13.71MPa，FRTP托盘的最大应力为1.26MPa，两种材料托盘的最大应力远低于材料的屈服或破坏强度，在底盘螺栓连接孔周围有较明显的应力集中。

4.3 蓄电池紧固吊耳强度校核

吊耳强度校核的应变和应力分布仿真结果，如图12、图13所示。从图12中应变云图可以看出，两种材料托盘的最大的应变集中在托盘吊耳处，钢质托盘的应变为0.59mm，玻纤托盘的应变为1.42mm，应变由吊耳处向托盘中间位置逐渐递减。从图13的应力云图可以看出，钢质托盘应力最大为232.10N，主要集中在托盘两侧耳朵处，最大应力小于钢性材料的屈服强度。FRTP托盘中，最大应力主要集中在托盘上表面的四个螺栓孔处，最大应力为38.20MPa，说明托盘底部加强筋的设计改善了吊耳处的应力集中。FRTP托盘吊耳处的应力为35.72MPa，小于热塑性玻纤材料的破坏强度。

图12 吊耳强度校核应变云图
Fig.12 Hanger Strength Check Strain Cloud

图13 吊耳强度校核应力云图
Fig.13 Hanger Strength Check Stress Cloud

4.4 仿真结果对比

将垂直、侧向工况以及吊耳强度校核的分析结果汇总，如表3所示。从表中应力对比结果来看，三种载荷条件下FRTP托盘的安全系数均高于钢质托盘，尤其在侧向拐弯工况下，FRTP托盘的安全系数是钢质托盘的安全系数的2.5倍，说明FRTP托盘强度满足设计要求；在应变方面，三种载荷条件下FRTP托盘和钢质托盘的变形量都很小，满足刚度设计要求；两种材料托盘质量对比可见，玻纤托盘质量较钢质托盘降低了40%以上，轻量化效果显著。综上所述，本设计的短切玻纤FRTP材料托盘性能安全可靠，实现了轻量化设计目标。

表3 钢质托盘和短切玻纤FRTP托盘分析结果对比表
Tab.3 Table of Comparison of Analysis Results of Steel Tray and Short-Cut Glass Fiber FRTP Tray

5 结论

本设计采用短切玻纤FRTP代替钢性材料，结合刚度、安装以及成型工艺等要求，对蓄电池托盘的结构进行设计和优化，得出以下结论：（1）通过两种材料托盘的仿真结果对比，发现短切玻纤FRTP托盘的刚度和强度满足性能要求且FRTP托盘的安全系数优于钢质托盘，说明FRTP托盘的性能安全可靠，结构设计合理；（2）短切玻纤FRTP托盘的质量相对于钢质托盘的质量降低了40%以上，轻量化效果显著；（3）从节能环保的角度看，蓄电池托盘采用短切玻纤FRTP具有广泛的应用前景。

来源：视界烩