「技術帖」基於OptiStruct複合材料電池包上殼體的應用與研究

摘要：對電池包上殼體進行了研究，在與現有金屬材料相同工況下，實現上殼體輕量化目標。金屬和SMC複合材料分別應用到電池包上殼體，並對4種工況的結果進行了研究。通過CAE有限元分析得到結論，SMC複合材料應用到電池包上殼體上可以完全取代金屬材料，不僅解決了減重問題，還表現出了比金屬更好的低密度、高強度、耐腐蝕和抗凹性的力學性能。

關鍵詞：電池包上殼體SMC複合材料有限元

1、前言

近年來，隨著能源壓力和國家政策的扶持，新能源汽車迎來了快速發展，銷量不斷攀升的新時代。依據中國汽車工業協會統計數據表明，近四年來，新能源純電動汽車的銷量從2015年33.1萬輛，到2018年125.6萬輛，呈現翻倍增長的趨勢。在新能源純電動汽車乘風破浪前進的同時，毋容置疑整個汽車行業也必然面臨著全新的技術挑戰。其中用輕量化技術為汽車減重，成為了整個行業的必然發展趨勢，中國汽車研究中心的相關研究表明，如果汽車整備質量減少10%，那麼會帶來燃油效率提升6%～8%的可觀效果。縱觀各種輕量化材料，首選的將是低密度、高強度，機械特性和力學特性堪比金屬的複合材料。將複合材料應用到汽車零部件上，將為輕量化的汽車行業帶來一個全新的認知和解決方案。分析了某電池包上殼體，通過金屬和SMC複合材料的工況對比，說明SMC複合材料應用到電池包上殼體，將可以完全取代金屬，達到輕量化的目標。

2、電池包上殼體有限元模型創建

使用的前處理工具為HyperMesh，求解器為Optistruct，後處理工具為HyperView。圖1所示為電池包上殼體三維結構，該上殼體長為1665mm，寬為918mm，高為226mm。表1所示為鋼材、鋁合金和SMC複合材料參數對比。上殼體採用鋼材方案時，厚度均勻為0.8mm，質量為13.36kg，採用鋁合金方案時，厚度均勻為1.5mm，質量為8.67kg，相比鋼材減重4.69kg。若採用SMC複合材料方案，厚度均勻為3mm，質量為10.72kg，比鋼材減重2.46kg。

2.1建立HyperMesh有限元模型

創建的步驟為利用Midsurface抽取上殼體實體中面，然後進行幾何清理，選取抽取的所有面，採用Batchmesh中5mm大小劃分網格，分別定義材料和材料屬性，包括厚度，定義部件間的連接單元，用剛性連接單元RBE2來模擬電池包上下殼體部件之間的螺栓連接方式。創建好的上殼體有限元模型如圖2所示。

圖1電池包上殼體三維結構

表1金屬和SMC複合材料參數對比

圖2上殼體有限元模型

2.2創建上殼體工況

a.模態工況一。自由模態，無約束，目的是了解電池上殼體的基本振動性能。

b.模態工況二。約束模態，約束上殼體法蘭邊安裝孔，目的是了解電池上殼體在實際安裝狀態的基本振動性能。

c.靜態工況三。對上殼體局部位置施加壓頭載荷，壓頭載荷用RBE3模擬，壓頭1尺寸50mm×50mm，對應載荷為890N，壓頭2尺寸100mm×100mm，對應載荷為1500N，約束上殼體法蘭邊安裝孔，載荷位置為上殼體凸包表面中間位置，具體位置如圖3。由於結構是對稱的，因此只建立圖中6個位置的工況，目的是評估上殼體局部剛度情況。

d.動態工況四。根據國家標準GB/T31467.3-2015第7.1.1部分，創建隨機振動分析工況，振動測試在三個方向上進行，先從Z軸開始，然後是Y軸，最後是X軸，創建X/Y/Z三個方向上對應的測試參數功率譜密度（PSD）值，目的是評價上殼體在振動中應力分布情況。

圖3局部壓頭載荷位置

3、有限元結果分析

3.1自由模態分析

自由模態分析是用於確定自由狀態下上殼體結構的固有頻率。可以在設計時幫助客戶或者產品工程師避開這些頻率或者減少這些可能產生共振頻率範圍上的激勵，目的是為了消除由於上殼體自身而產生的一些過度振動和噪聲。基於Optistruct自由模態分析結果如圖4所示。SMC材料的一階模態為8.8Hz，二階模態為28.5Hz，鋼材材料的一階模態為7.8Hz，二階模態為26.2Hz，鋁合金材料的一階模態為11.11Hz，二階模態為40.13Hz。

分析結果可以得到，採用鋁合金材料和SMC複合材料的自由模態比採用鋼材的模態好，採用這兩種材料能顯著提升上殼體的強度，SMC材料要優於鋁合金材料，也能更大限度地避免發生共振和噪聲。

3.2約束模態分析

約束模態可以模擬上殼體實際裝配的狀況，確定在約束狀態下上殼體的固有頻率，同樣是為了消除振動和噪聲。基於Optistruct約束模態分析結果如圖5所示。SMC材料的一階模態為36.1Hz，二階模態為55.7Hz，鋼材材料的一階模態為24.1Hz，二階模態為43.5Hz，鋁合金材料的一階模態為39.6Hz，二階模態為64.9Hz。

圖4自由模態分析

分析結果可以得到，SMC材料的一階模態和鋁合金材料的一階模態相差較小，採用SMC複合材料和鋁合金材料方案約束模態都比鋼材模態高，說明採用這兩種材料的上殼體強度好。

圖5約束模態分析

3.3局部剛度分析

局部剛度分析是為了模擬電池包上殼體的膝抵試驗和踩踏試驗，上殼體在承受靜態載荷的工況下，此時最大位移出現的局部工況也是最大應力出現的時候，此時上殼體容易出現開裂的風險，進行局部剛度分析的目的是為了避免和驗證上殼體的結構能否承受一定的靜態載荷，以及找出上殼體剛度最弱的位置。上殼體局部剛度最弱位置的分析結果如圖6所示，6個位置的分析結果匯總如表2所示。

圖6上殼體局部剛度最弱位置的分析結果

分析結果可以得到如下結論。

a.採用SMC複合材料，施加載荷為890N時，位置1發生的形變量最大，最大位移為29.4mm，施加載荷為1500N時，同樣位置1形變量最大，最大位移為46.2mm。

b.採用鋼材材料，施加載荷為890N時，位置2發生的形變量最大，最大位移為39.2mm，施加載荷為1500N時，同樣位置2發生的形變量最大，最大位移為58.1mm。

c.採用鋁合金材料，施加載荷為890N時，位置1發生的形變量最大，最大位移為22.6mm，施加載荷為1500N時，同樣位置1形變量最大，最大位移為34.0mm。

d.局部剛度分析結果匯總見表2，由表中分析結果，施加載荷為890N，採用SMC材料時，上殼體在位置2處產生最大應力，最大應力為126MPa，最大應力小於材料的拉伸強度，根據材料的力學特性，該位置2處不會出現開裂的風險，所以根據分析結果，施加載荷為890N時，採用SMC材料時，上殼體的結構不會出現變形、裂紋以及開裂的情況。當施加載荷為890N，採用鋼材材料時，位置6處最小應力為888.3MPa，最小應力已經遠遠超過了材料的許用應力，材料可能會發生永久變形或者斷裂。採用鋁合金材料時，位置6處產生最小應力，為280.7MPa，接近材料拉伸極限，極大風險產生永久變形，其餘位置的應力均大於材料拉伸強度，材料發生斷裂的風險很大。所以對比靜載荷為890N的工況下的三種材料，SMC材料抗凹性好，強度更高。施加載荷為1500N時，採用SMC材料，分析結果顯示位置1和位置2處受到的應力是最大的，已經超過了材料的拉伸強度，分析雲圖顯示位置1處只有2個單元超過了拉伸強度，根據該材料的特性，可以判斷該工況下，沒有開裂風險。位置2處有16個單元超過了拉伸強度，開裂風險較大，但由於材料特性，該位置並不會完全斷裂。採用鋼材或者鋁合金材料，同樣工況下，兩種材料下的最小應力遠遠超過了材料的拉伸強度，無論哪個位置，都將會發生永久變形或斷裂。根據分析結果在施加載荷為1500N時，SMC材料同樣表現出更好的力學特性，局部剛度更好，更加優於金屬材料。

表2局部剛度分析結果匯總

3.4隨機振動分析

隨機振動分析是頻響分析和隨機振動分析的組合，首先要進行頻率響應分析，然後進行隨機振動分析，其中頻響分析用到的載荷卡片如表3所示，設置完畢頻響分析後，創建隨機振動的載荷卡片以及控制卡片。先要創建PSD值，用於定義隨機振動加速度功率譜密度，採用TABRAND1卡片，參數依據國標要求譜密度進行輸入。然後建立隨機振動載荷收集器，採用卡片RANDPS，組合頻響分析創建的loadstep和譜密度。創建隨機振動分析步的分析類型，創建卡片GLOBELCASECONTROL全局工況控制卡片，勾選RANDOM，數值填入3，引入X/Y/Z三個隨機振動載荷收集器。定義輸出，工況設置為位移和應力的輸出，創建GLOBELOUTPUTREQUEST，勾選DISPLACEMENT和STRESS，數量填1，RADOM選RMS，OPTION選ALL。定義輸出響應譜線，創建卡片CASEUNSUP-PORTEDCARDS，填入1。

表3頻率響應分析卡片設置

電池包上殼體的隨機振動工況應力分析結果如圖7所示，從分析結果的應力雲圖上可以得出結論，上殼體採用鋼材材料在X方向隨機振動的應力為19.74MPa，採用鋁合金材料在X方向隨機振動的應力為6.81MPa，採用SMC材料在X方向隨機振動的應力為1.45MPa。鋼材在Y方向隨機振動的應力為10.59MPa，鋁合金材料在Y方向隨機振動的應力為3.67MPa，SMC材料在Y方向隨機振動的應力為1.0MPa，鋼材在Z方向隨機振動的應力為128.8MPa，鋁合金材料在Z方向隨機振動的應力為43.7MPa，SMC在Z方向隨機振動的應力為8.26MPa。所以SMC材料在X/Y/Z三個方向上受到的應力都明顯優於金屬材料，大大的避免了隨機振動過程中上殼體產生疲勞破壞的風險。

圖7隨機振動應力分析

4、結論

通過模態、靜態和動態工況綜合的分析結果對比，可以得到結論。

a.從質量上看，電池包的上殼體採用鋼材材料，質量為13.36kg；採用鋁合金材料質量為8.67kg，質量上降低了35%，採用SMC複合材料質量為10.72kg，質量上降低了18.4%，選用鋁合金管或者SMC材料，都能實現上殼體的輕量化目標。

b.從模態分析工況分析來看，剛度越好，頻率越高，自由狀態下，SMC複合材料的剛度優於鋁合金材料優於鋼材，一階模態越大，上殼體本身的固有頻率也就越大，可以有效的避免與整車發共振現象。約束狀態下，SMC材料的頻率接近鋁合金材料，兩者都要高於鋼材，所以SMC材料的剛度堪比鋁合金。

c.從靜態分析工況來看，施加載荷為890N時，SMC材料上殼體受到的應力小於材料拉伸強度，上殼體不會發生任何損壞，而採用鋼材或者鋁合金材料，上殼體受到的應力遠大於材料拉伸極限，已經發生了永久變形甚至斷裂，所以此工況下SMC上殼體的局部剛度更好，強度更高。施加載荷為1500N時，SMC上殼體可能會發生輕微局部開裂，而鋁合金或鋼材上殼體已經發生了永久變形甚至斷裂，所以此工況下SMC上殼體的局部剛度也表現出了很好的力學特性。

d.從隨機振動工況來看，SMC上殼體在隨機振動中無論哪個方向上，受到的應力最小，大大減小了振動過程中產生疲勞破壞的風險。

綜上，根據有限元分析結果，雖然鋁合金在減重和約束模態上有較好的優勢，但是局部剛度和隨機振動方面劣勢明顯，表現出的力學性能較差。採用SMC複合材料的電池包上殼體，不僅實現了上殼體的輕量化，而且剛度也優於金屬材料，提高了上殼體整體的力學性能。後續也可以通過上殼體的不同厚度進行輕量化方面的優化。所以用複合材料上殼體替代金屬材料，將是純電動汽車電池包上殼體發展的必然趨勢。

來源：《汽車工藝與材料》

作者：劉南南石紀軍宋長江

文章由易車號作者提供