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CGFRP电池包结构分析与抗冲击性能研究

邢杨  
【摘要】:随着我国经济和汽车产业的持续快速发展,随之而来的能源短缺和环境污染问题日益严峻。因此,具有节能环保优势的新能源汽车受到了广泛关注,且电动汽车是重点发展方向之一。汽车轻量化对于提高电动汽车续航里程,降低能耗有着十分重要的作用。应用新型材料是实现汽车轻量化的主要途径之一,其中连续纤维增强树脂基复合材料因具有良好的力学性能和显著的轻量化效果等优点,越来越广泛地应用于汽车结构。电池包在电动汽车中起着保护电池组正常、安全工作的重要作用,作为关键部件,电池包的轻量化也是提高电动汽车续航里程,降低能耗的重要途径。本文围绕面向电动汽车电池包应用的连续编织长玻璃纤维增强复合材料(CGFRP),采用实验与数值模拟相结合的研究方法,开展了如下研究内容:首先,研究采用模压成型工艺制备CGFRP板材,并按照国标进行准静态单向拉伸试验和落锤冲击试验,通过力学试验掌握CGFRP基本力学性能。为有效分析材料在准静态单向拉伸载荷和动态冲击载荷作用下的损伤机理,本文基于准静态单向拉伸试样断口形貌以及落锤冲击损伤试样开展了宏观-微观尺度条件下的损伤表征,研究结果表明,在不同载荷作用条件下,CGFRP损伤形式主要表现为纤维丝拉拔断裂以及材料的分层损伤等失效形式。此外,为研究CGFRP在准静态单向拉伸载荷作用下的损伤演化过程,本文结合数字图像相关法(DIC),对准静态单向拉伸试验进行分析,其结果表明,在准静态单向拉伸载荷作用下,材料应变场分布较为均匀,没有明显的集中受载现象。同时,研究采用有限单元法对准静态单向拉伸试验和落锤冲击试验进行数值模拟,从而反求CGFRP有限元仿真分析参数,为后续分析提供可靠的参数支撑。其次,本文基于电池包设计的一般原则,在考虑制件功能和结构成型性能要求的条件下,完成CGFRP电池包结构设计与分析。研究建立CGFRP电池包数值分析模型,完成在颠簸急转弯和颠簸急刹车两种工况条件下的响应分析。此外,为有效避免结构在正常行驶过程中出现共振等危险情况,本文通过模态分析得到CGFRP电池包结构的固有频率和振型,验证了不同工况要求下CGFRP电池包均满足要求。最后,考虑到电动汽车在行驶过程中电池包会受到来自地面障碍物的冲击,且不同形状、不同大小的障碍物对电池包造成的冲击损伤程度不同,基于此,本文以冲头锥角半径和锥角大小两个几何参数为研究对象,系统分析了 CGFRP电池包在不同几何参数冲头作用下的冲击性能响应。分析结果表明:冲击过程中,冲头锥角大小一定,锥角半径较大的冲头对CGFRP电池包外壳的影响更大;冲头锥角半径一定,锥角较大的冲头对CGFRP电池包外壳的影响更大;相比于冲头锥角半径,冲头锥角大小对CGFRP电池包抗冲击性能影响更明显。本文所做的研究,对于纯电动汽车电池包分析和纯电动汽车行驶过程中电池包抗地面障碍物冲击性能的研究具有重要意义,同时对增强型复合材料在汽车上的应用具有一定的借鉴意义。


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