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碳纤维环氧树脂复合材料电池箱的轻量化研究

来源:未知   作者:不详   发布时间:2020-01-22 22:17   点击:495次
摘要:电池箱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
电池箱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30%——35%,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。
由于电动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。
有专家研究在不同工况下点多汽车电池箱的强度分析,并对电池箱局部进行优化设计和改进,改善了局部结构上的应力集中情况,使结构强度得到提升。
虽然专家们都对电动汽车电池箱结构进行了优化,但却依然改变不了减少电池箱自身重量过重的事实,用金属材料设计的电池箱不仅自身重量大,浪费汽车能源的利用率,同时与碳纤维等复合材料相比,其强度、密封性低也成了重要缺陷。
近年来,碳纤维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。
挪恩复材很早就开展了碳纤维汽车方面的应用,经过不断研究后发现,电动汽车电池箱体过重的难题,可通过碳纤维来尝试解决。
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。
所以本次分析的重点是电池箱下箱体的结构强度。
利用有限元分析软件对电池箱模型进行网格划分,过公共节点保证每个单层板之间位移的连续性。
其中对碳纤维复合材料模型进行分析,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0.5mm,电池箱的总厚度为4mm。
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,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。
碳纤维复合材料电池箱铺层设计碳纤维复合材料电池箱的铺层设计主要有以下两种方式: 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; 另一个是利用铺层“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。
最终选取的铺层方式为[0/90/45 /45]s(s=2),每层厚度为0.5mm[7,8]。
碳纤维复合材料电池箱层合板的强度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。
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。
(推荐阅读:新能源汽车碳纤维电池箱的设计分析)。

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