纯电动汽车碳纤维电池壳设计与服役性能分析

摘要

进入21世纪以来，随着人们生活质量的迅速提升以及汽车行业快速发展，汽车已经成为人们日常出行必不可少的交通工具，这也使得汽车的保有量不断增加，由此而带来的尾气排放问题已经成为环境污染的重要影响因素之一。在政府和汽车生产商的极力推广下，电动汽车（Electric Vehicle，EV）得到了快速的应用与发展。电池壳作为电动汽车动力电池组的主要承载部件，其性能的好坏将直接影响到电池组能否正常的工作。目前由于电池技术的限制，电池壳的体积以及质量都很大，这就增加了整车的质量，导致其在小型汽车中的应用受到限制。通过选择合适的铺层角度以及顺序，碳纤维电池壳不仅能够提高电池壳各方面的性能，而且能够极大地降低电池壳结构质量、提升整车经济性。因此，碳纤维电池壳有着重要的发展意义与广泛的应用空间。目前，针对传统材料电池壳的静力、振动等方面的试验和仿真研究已经比较成熟，但对碳纤维复合材料电池壳的研究相对较少。因此，本文研究的内容主要是应用ABAQUS有限元分析软件，对碳纤维电池壳在不同工况下进行了有限元数值分析与研究。 首先，根据电池壳的设计要求，建立了电池壳的几何模型，并对其进行了加固设计；考虑复合材料的成型工艺以及电池壳的成本和量产问题，给出了碳纤维电池壳的成型方法；根据纤维铺层的设计方法，设计了四种不同的铺层方案。然后，基于Hashin失效准则以及最大应力准则，通过ABAQUS有限元软件对电池壳的不同工况以及不同的铺层方案进行了仿真分析。根据静力分析和模态分析结果，对四种不同铺层方案进行了比较，并挑选出两种较好的铺层方案进行后续分析；从机械冲击分析结果中发现各纤维层均未出现失效，并从中得到了比较理想的铺层方案；从随机振动分析结果得出，碳纤维电池壳的抗振效果较好，振动灵敏度低；从极限温度分析结果可以得出，固有频率降低很小，满足振动试验标准规定的范围；从碰撞分析结果可以得出电池壳的纤维层失效形式和力的承载极限。 通过对电池壳的服役性能分析得出，碳纤维铺层方式为[0°，90°，45°，-45°]效果更加理想，电池壳整体抗机械冲击和抗振性能较好。最终得出碳纤维电池壳的质量为44.2kg，减重效果达到50%，电池壳的侧面承载极限为33.73KN。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 碳纤维在汽车上的应用现状

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文研究内容及章节安排

2 碳纤维复合材料力学特性

2.1 各向异性弹性力学基础

2.2 复合材料单层板的力学特性

2.3 复合材料层合板的力学特性

2.3.1 层合板的应力—应变关系

2.3.2 层合板的刚度

2.3.3 层合板的柔度

2.4 复合材料失效

2.4.1 失效模式

2.4.2 失效准则

2.5 本章小结

3 碳纤维复合材料电池壳设计

3.1 电池壳的整体结构设计

3.2 碳纤维的选用和成型工艺

3.3 碳纤维的铺层设计

3.4 本章小结

4 碳纤维电池壳服役性能分析

4.1 电池壳模型前处理

4.1.1 三维模型几何清理

4.1.2 边界条件和网格划分

4.2 静力学仿真分析

4.3 模态仿真分析

4.4 机械冲击仿真分析

4.5 随机振动仿真分析

4.6 热环境下的电池壳性能分析

4.6.1 热环境下的模态分析

4.6.2 机械冲击性能分析

4.7 电池壳的碰撞性能分析

4.8 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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