CN110518166B - 一种复合材料电池盒箱体结构优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，属于复合材料结构设计领域。为了保证侧面挤压强度，在箱体内部放置截面空心加强筋作为结构加强件。为了提高整体刚度，抵抗变形。沿箱体四壁设置了外凸形的加强结构。为了提高底部刚度，保证底部的抗压能力，在箱体底部设置了网状交叉形加强筋。材料的选择，在减重的前提下，选用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料进行整体的铺放设计。电池盒上盖的减重。上盖总厚度为H，为了减重，中间1/3H材料层是由网状交叉型框架代替，保证上盖基本刚度。进行力学仿真测试，为了更好的进行侧压，在侧面压头挤压处用轻质材料填满凹坑处，保证侧压时的侧压力分布均匀，同时提高侧面的刚度。

Description

一种复合材料电池盒箱体结构优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料轻质电池盒箱体的结构优化设计。通过合理选用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料的比例，在成本较低和满足强度要求的前提下，将电池盒减重，达到轻量化生产的目的。属于复合材料结构设计领域。
背景技术
小型纯电动汽车作为我国新能源汽车产业化的战略车型之一，得到了人们越来越多的关注。动力电池作为纯电动汽车的唯一动力源，起着保证电池组正常、安全工作的关键作用。电池盒承载着电池组等模块的质量，因此其强度、刚度必须满足使用要求才能保证行驶的安全性。因此合理设计电池盒的结构和材料的选择至关重要。目前，电池盒的轻量化和自动化生产逐渐得到企业和社会的重视。轻量化的电池盒生产要求在满足强度的前提下，尽量减轻盒体的质量。复合材料由于其热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机身和卫星框架及其加强结构、轻质高强度体育用品、军用火箭的壳体、航空发动机部件等。同时在汽车工业，由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件盒。因此考虑在设计电池盒的过程中，整体材料的选择用碳纤维和玻璃纤维复合材料制备。
发明内容
本发明目的在于设计一种轻量化的电池盒结构。设计包括两个方面：1.结构的优化设计；2.纤维增强复合材料的选择。通过合理的优化设计以及选材，使得设计的电池盒在满足整体强度的前提下，进行合理的减重，达到轻量化的目的。同时，设计的结构考虑工艺的可行性，便于大规模的自动化生产。已代替传统的电池盒。
本发明的技术方案：
电池盒作为电池的承载件，合理设计其结构至关重要。通过优化结构模型以及合理选材来保证电池盒的整体尺寸、侧面挤压强度、整体刚度、底面刚度以及材料的选择。
一种复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，步骤如下：
（1）为了保证侧面挤压强度，在电池盒箱体内壁设置截面空心加强筋构成“回”字型结构，作为加强件；“回”字型空心加强筋的壁厚等于电池盒的侧壁厚，外部横截面最大包络尺寸为电池盒总高度的1/7，最大包络尺寸为不同横截面外接圆的最大直径；“回”字型空心加强筋之间的间距为加强筋的宽度，在电池盒高度方向上均匀分布，其数量根据加强筋之间的分布距离确定；
（2）为了提高整体刚度，抵抗变形；沿电池盒箱体外壁设置一体结构的“外拱”自加强结构；“外拱”自加强结构的宽度为电池盒高度的2/7，厚度等于电池盒侧壁厚的3倍；“外拱”自加强结构布置的数量为电池盒侧壁高度与“外拱”自加强结构宽度比值的2/7倍；
（3）为了提高底部刚度，保证底部的抗压能力，在电池盒箱体底部设置实心交叉加强筋；加强筋的厚度为电池盒的底厚，加强筋的宽度为底面长度的1/9,加强筋的排布方式为纵排数量等于横排数量，均匀分布；其中横/纵排加强筋的数量为底面边长与底面加强筋宽度比值的1/5倍。
电池盒箱体材料选用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料进行整体的铺放设计。内壁的“回”字型空心加强筋、外壁的“外拱”自加强结构和底面加强筋采用碳纤维预浸料进行铺放；上箱盖采用玻璃纤维预浸料进行铺放。
上盖总厚度3mm，中间1mm材料层是由“交叉拱形”框架代替，保证上盖基本刚度；同时，为了便于上盖与盒体的连接，在上盖和盒体之间打8个螺栓孔便连接。
“回”字型空心加强筋的形状为正方形、圆或三角形。
“外拱”自加强结构的形状为矩形、弧形或三角形。
本发明的有益效果：
（1）此发明结构用于底面和侧面静压时，在满足强度前提下，运用玻璃纤维和碳纤维复合材料实现减重40%。
（2）优化的结构设计不仅适用于复合材料，对其他箱体的外形结构的设计也具有一定的指导意义。
（3）传统的电池盒箱体体积大，结构笨重。优化的电池盒箱体在满足电池组尺寸要求的前提下，最大限度地减小了电池盒的整体体积，运用三维作图软件及仿真软件分别进行三维设计和强度分析，得出最优的结构。
附图说明
图1为本发明实例中所述的的电池盒下箱体的结构示意图。
图2为本发明实例中所述的电池盒上盖的结构示意图。
图3为本发明实例中所述的电池盒的内部加强框结构。
图4为本发明实例中所述的电池盒的外拱凸出加强结构。
图5为本发明实例中所述的电池盒加强框的连接方式。
图6为本发明实例中底面交叉加强结构。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明的具体结构，下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1、2为电池盒的具体结构-电池盒箱体和上盖。上盖为了减重设计加强筋结构。在电池盒箱体内壁外侧设计有内部“回”字型空心加强筋和“外拱”自加强结构（图3、4）。在加强筋的连接方式上选用两根加强筋45°角对接，中间用直角连接块相连（图5）。在电池盒底面设计交叉结构（图6）。
（1）为了保证侧面挤压强度，在电池盒箱体内壁设置4道截面空心矩形加强筋作为结构加强件。空心矩形加强筋的壁厚为2mm，外部截面尺寸为9mmx14mm。与实心矩形框相比，同等截面下，空心矩形在减重和提高刚度方面较实心矩形有显著的优势；4条矩形空心框在内部连成方形，均匀分散四个侧壁的压力。在靠近截面中心处布置两道空心矩形加强筋，防止侧面中间部位受力太大而破坏。
（2）为了提高整体刚度，抵抗变形。沿箱体四壁设置了两道“外拱”的自加强结构；即从侧面平面处向外凸出矩形框，矩形框的宽度为20mm，外凸的厚度3mm。与单独的平面侧板相比，自凸起的侧壁结构与平板壁厚相等的条件下，可以显著提高侧壁的刚度。
（3）为了提高底部刚度，保证底部的抗压能力，在箱体底部设置了“外拱交叉”加强筋。加强筋的边长为40mm，为了提高电池盒底面的受压承载力，在底面壁厚不变的情况下，在底面设置“外拱交叉”加强筋，加强筋将底面、侧面和翻边连在一起。在底面受力时，通过底面加强筋可以分散大部分的压力。
（4）电池盒上盖的减重。上盖总厚度3mm，为了减重，中间1mm材料层是由“交叉拱形”框架代替，保证上盖基本刚度。同时，为了便于上盖与盒体的连接，在上盖和盒体之间打8个螺栓孔便连接。
（6）整体结构尺寸：整体高度158.5mm、整体长度379mm、侧壁厚1.5mm、底厚2mm、下底面肋板厚度1.5mm、翻边厚度3mm、外部凸起3mm。上盖厚度3mm，尺寸379mmx379mm。
（7）力学仿真测试，为了更好的进行侧压，在侧面压头挤压处用轻质材料填满凹坑处，保证侧压时的侧压力分布均匀，同时提高侧面的刚度。
（8）材料的选择，在减重的前提下，选用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料进行整体的铺放设计。在关键的承力位置（内部空心矩形加强框，侧壁和底面）采用碳纤维预浸料进行铺放。在次要的承力位置（上箱盖）采用玻璃纤维预浸料进行铺放。

Claims (8)

1.一种复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，步骤如下：
（1）为了保证侧面挤压强度，在电池盒箱体内壁设置截面空心加强筋构成“回”字型结构，作为加强件；“回”字型空心加强筋的壁厚等于电池盒的侧壁厚，外部横截面最大包络尺寸为电池盒总高度的1/7，最大包络尺寸为不同横截面外接圆的最大直径；“回”字型空心加强筋之间的间距为加强筋的宽度，在电池盒高度方向上均匀分布，其数量根据加强筋之间的分布距离确定；
（2）为了提高整体刚度，抵抗变形；沿电池盒箱体外壁设置一体结构的“外拱”自加强结构；“外拱”自加强结构的宽度为电池盒高度的2/7，厚度等于电池盒侧壁厚的3倍；“外拱”自加强结构布置的数量为电池盒侧壁高度与“外拱”自加强结构宽度比值的2/7倍；
（3）为了提高底部刚度，保证底部的抗压能力，在电池盒箱体底部设置实心交叉加强筋；加强筋的厚度为电池盒的底厚，加强筋的宽度为底面长度的1/9,加强筋的排布方式为纵排数量等于横排数量，均匀分布；其中横/纵排加强筋的数量为底面边长与底面加强筋宽度比值的1/5倍。
2.根据权利要求1所述的复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，所述的电池盒箱体材料选用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料进行整体的铺放设计；内壁的“回”字型空心加强筋、外壁的“外拱”自加强结构和底面加强筋采用碳纤维预浸料进行铺放；上箱盖采用玻璃纤维预浸料进行铺放。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，所述电池盒上盖总厚度3mm，中间1mm材料层是由“交叉拱形”框架代替，保证上盖基本刚度；同时，为了便于上盖与电池盒的连接，在上盖和电池盒之间打8个螺栓孔便连接。
4.根据权利要求1或2所述的复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，所述的“回”字型空心加强筋的形状为正方形、圆或三角形。
5.根据权利要求3所述的复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，所述的“回”字型空心加强筋的形状为正方形、圆或三角形。
6.根据权利要求1、2或5所述的复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，所述的“外拱”自加强结构的形状为矩形、弧形或三角形。
7.根据权利要求3所述的复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，所述的“外拱”自加强结构的形状为矩形、弧形或三角形。
8.根据权利要求4所述的复合材料电池盒箱体结构优化设计方法，其特征在于，所述的“外拱”自加强结构的形状为矩形、弧形或三角形。
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