可喜的开端―荐SAMPE复合材料DIY竞赛冠军研制报告有感SAMPE北京分会 沈真碳纤维复合材料结构在工业领域推广应用的前提是开发出性价比被用户接受的产品，而开发出这样产品的过程中“设计是龙头、材料是基础、制造是关键、应用是目的”。在初我写的“电池盒大赛的来历和初衷”一文中曾阐明了SAMPE复合材料工业制品DIY设计制作竞赛的初衷是：“纵观国内工业领域复合材料制品市场，凡是承载结构，其设计绝大部分来源于国外，基本上是来料加工或是购买国外的设计图纸和制造工艺然后进行生产的或是仿制品，缺少自主知识产权，究其原因是由于缺少复合材料结构精细设计的人员和技术，因此SAMPE策划的电池盒大赛的目的是推动业界对复合材料结构设计的重视，并吸引由院校和企业结构设计专业技术人员重视复合材料结构的精细化和低成本设计，给他们展示才能的机会，并为企业发现有关人才提供平台，为相关企业的产品升级换代提供借鉴。”很欣慰，郎搏万杯第三届复合材料工业制品DIY设计制作竞赛吸引了十余支队伍参赛，其中的夺冠队伍由企业和院校的专业工程师组成，并得到了相关企业的赞助，他们了解企业的需求，同时具备相关的专业知识，在减重与低成本制造两方面都取得了喜人的成绩。当然暂时他们的设计还无法直接转换为市场上的产品，但他们的研发思路和合作模式及产品制作成果可供工业领域开发相关碳纤维复合材料制件同行们借鉴参考。在此，推荐大家学习他们的有益做法，希望更多的高校和企业参与这项竞赛，通过材料、设计及工艺创新开发出具有产业化前景的复合材料轻量化产品。附件：低成本复材轻量化电池盒研制报告（删节版）
队长：张鑫队员：贾利勇张彤顾思道陈华清参赛时间：5月6日上午10点参赛地点：北京中国国际博览中心（静安庄馆），A225(5号馆)摘要由于国家能源战略和环保政策的要求，汽车工业向轻量化方向转移。其中新能源汽车电池包作为关键的动力系统部件，对轻量化的贡献尤为明显，重量可以占到整车重量的15%-20%。碳纤维复合材料有高强度、高模量以及耐腐蚀的特性，且相对于铝合金有较大的轻量化优势，将扮演非常重要的材料替换角色，同时也对结构设计、工艺设计提出来高标准下的高要求。以“朗博万”杯第三届SAMPE复合材料工业制品DIY设计制作竞赛为契机，广东众森实业发展有限公司、上海邦麟复合材料科技有限公司、航空工业第一飞机设计研究院及西北工业大学的工程师组成团队，通过互联网协作的方式，完成了低成本井字形加筋轻量化电池盒的设计、制造和试验验证工作。在对外载工况和传力路径的分析的基础上，进行了结构拓扑优化、外形设计，并对设计铺层进行了各工况下的静强度、稳定性和螺栓破坏校核，通过井字形加筋结构实现了轻量化目标。结构设计完成之后，权衡成本与工艺性后进行了材料选择。制定工艺方案、设计工艺流程时候着重考虑了生产效率，并进行了样件试制和成本分析以确保项目的可行性与经济性。本方案电池盒总重量4.78Kg,经试验测试在侧向挤压100kN下变形10.33mm，在底部静压1200N下最大变形0.56mm。通过选用快速固化预浸料，优化量产模具设计能够实现10-15min快速固化。同时，通过各环节的成本控制能将单套量产成本控制在1000元以内。目录
摘要2
目录3
1 项目背景5
2 团队介绍5
2.1 研制单位简介5
2.2 人员构成及分工6
3 设计目标7
3.1 几何外形7
3.2 载荷与变形条件7
3.3 总重7
4 设计理念7
4.1 结构效率——高7
4.2 生产节拍——快8
4.3 量产成本——低8
5 结构设计与强度校核8
5.1 外载及传力路径分析8
5.2 结构拓扑优化8
5.3 结构设计9
5.4 强度校核14
5.4.1 底部静压工况校核14
5.4.2 侧向挤压工况校核15
5.4.3 螺栓破坏校核19
5.4.4三维实体单元静强度分析20
6 工艺与试制22
6.1 材料选择22
6.2 工艺方案24
6.2.1 尺寸及重量24
6.2.1 制造工艺24
6.2.2 工艺流程及方法25
6.2.3 样件试制25
6.2.4 量产工艺28
7 试验验证30
7.1 现场测试条件30
7.1.1 电池盒悬挂式底部静力试验30
7.1.2 电池盒体侧向挤压测试31
7.2 试验结果32
7.2.1底部静力试验结果32
7.2.2侧向挤压试验结果33
8 成本分析35
8.1 材料成本35
8.1.1 辅助材料35
8.1.2 电池盒箱体35
8.2 模具费用36
8.3 工序及人工成本36
8.4 水电37
8.5 单套电池盒箱体综合成本38
9 总结38
1项目背景由于国家能源战略和环保政策的要求，汽车工业向轻量化方向转移，尤其是新能源汽车得到大力推广，对车身轻量化的要求逐步提高。现有的轻量化汽车零部件包括车身骨架，尾门，底盘等。其中新能源汽车电池包作为关键的动力系统部件，对轻量化的贡献尤为明显，重量可以占到整车重量的15%-20%。现有大部分电池包外壳采用铝合金挤出型材焊接的方式进行加工制造，重量为60-70公斤，仍对电动汽车的续航里程有很大的影响。国家对新能源汽车的续航里程以及电池包能量密度提出了针对性要求，促使汽车生产厂家对电池包的材料、结构设计有更高的研发投入。电池包作为关键的结构件、安全件，有详细的法规要求，包括侧向挤压，密封性以及耐火要求。碳纤维复合材料有高强度、高模量以及耐腐蚀的特性，且相对于铝合金有较大的轻量化优势，将扮演非常重要的材料替换角色，同时也对结构设计、工艺设计提出来高标准下的高要求。2团队介绍2.1研制单位简介本项目由广东众森实业发展有限公司提供材料、模具、设备并进行试制生产，由上海邦麟复合材料科技有限公司、航空工业第一飞机设计研究院及西北工业大学提供技术支持。广东众森实业发展有限公司是专业致力于玻纤制品、碳纤维制品等新型复合材料制品的研发、生产、销售为一体的高新技术企业。产品广泛应用于新能源汽车主机厂、特种车辆厂，并服务于各航天航空、军事、轻工等领域。公司产品主要涉及：（1）新能源汽车轻量化及功能复合材料；（2）卡车、物流车结构件及车厢板；（3）动车、云轨内外饰及功能复合材料；（4）医疗器械；（5）航空复材结构件。公司专注于新能源电池复合材料领域，所拥有的复合材料新能源电池壳体等制品已经通过多个PACK厂的体系认证，并在批量供货。另外，公司已通过ISO9001及IATF16949:（含产品设计）体系认证。3设计目标3.1几何外形1.外尺寸：400mm×400mm×200mm。2.内尺寸：330mm×330mm×150mm。3.翻边：30mm。注意：变形后仍不可以超出内包络线（不可挤压模组）。3.2载荷与变形条件一、悬挂式底部静力试验1.静力与变形：等速位移2mm/min，加载到1200N，记录变形量，底部最大变形不得超过 2mm；2.孔边应力与损伤：拆卸螺栓后连接孔处不得有目视可见损伤。二、电池盒体侧向挤压测试静力与变形：等速位移2mm/min，加载至100kN，同时测量变形，保载3秒后卸载，变形不超过20mm。注意：1.失稳问题2.孔边损伤。3.3总重电池盒总重量（含螺钉）不得超过9kg。4设计理念4.1结构效率——高在本项目中，电池盒应满足底面静力工况及侧向挤压工况。通过针对两种工况的传力分析，为提高结构效率，确定采用加筋结构。在底面静力工况下，通过侧面竖直加强筋承担拉伸载荷；在侧向挤压工况下，由侧面竖直加强筋承担弯矩，并传到上盖及底部的井字形加筋结构上，井字形加筋最终承担压缩载荷。为配合模具设计及工艺方案，在模具上设计凹凸来实现加筋。通过加筋区域的局部加厚，形成多组Z形梁结构。经过初步设计后，通过结构拓扑寻找主传力路径并确定各区域厚度。在详细设计阶段，通过有限元建模、静强度分析和稳定性分析确定加强筋的宽度和高度。经过分区分级设计，确定各区域的铺层及厚度，最大程度实现轻量化，有效提高结构效率。4.2生产节拍——快为适应量产化需求，材料选用快速固化阻燃碳纤维预浸布和快速固化阻燃玻璃纤维预浸布。同时箱体的量产设备选用热压机，并采用热进冷出模式。对所用的模具作自发热和自冷处理。由于模具本身自重和体积较大，靠传统热传导和热对流需要较多的传热时间。经过对模具的设计，在符合实际设计需求的情况下，对局部厚部位以及热传递缓慢区域设计加热流道，促进升温。相应的，对于冷却速度慢的问题，通过合理设计冷却水流道经模温机控制模具冷却速度。整个部件的固化周期可缩减至10-15min。4.3量产成本——低量产方案采用了非热压罐工艺，在加快生产节拍的同时，能够有效降低能耗。设备固定投资低，占用的厂房面积也远远小于热压罐。另外，在低应力区使用低成本的玻璃纤维预浸料，也使成本显着降低。5结构设计与强度校核5.1外载及传力路径分析在底面静力工况下，通过侧面竖直加强筋承担拉伸载荷；在侧向挤压工况下，由侧面竖直加强筋承担弯矩，并传到上盖及底部的井字形加筋结构上，井字形加筋最终承担压缩载荷。为配合模具设计及工艺方案，在模具上设计凹凸来实现加筋。通过加筋区域的局部加厚，形成多组Z形梁结构。5.2结构拓扑优化采用拓扑优化方法寻找主传力路径并确定及各区域厚度。拓扑优化模型采用的是各向同性材料三维实体单元模型，最终计算结果如下图所示，底面及四周靠近加载点位置附近结构厚度大，四周边缘位置结构厚度小。
图5.2-1 拓扑优化结果5.3结构设计基于拓扑优化结果，进行了结构方案设计。为了提高结构刚度，整个电池箱体及盖子均设计为整体凹凸加筋结构，筋条呈井字形排布，如下图所示。
5.3-1 整体视图
下面参考文献[1]进行材料三维刚度等效。根据Chou等[2]的三维刚度等效理论，对于包含任意铺层角度的子层压板，其等效后的材料为单对称材料，其等效刚度矩阵为： 其中：“＊”表示子层压板的等效值；上划线“－”表示在全局坐标系下的数值。子层压板的等效应力－应变关系为： 其中： 子层压板的等效刚度系数 表示如下： 其中： 表示子层压板中第ｋ个铺层在整体坐标系下的刚度系数，可由单层板材料坐标系下的刚度矩阵以及坐标转换得到[3]；n为子层压板所包含的铺层数；Vk是第ｋ个铺层的厚度与子层压板总厚度的比值。单向材料的基本力学性能如下：表5.3-1 碳纤维单向板力学性能 因试验现场随机选择两个面进行加载，因此结构铺层中0°与90°铺层数一致，45°层数量与-45°层数量一致，故碳纤维基本铺层顺序为[0/45/-45/90]ns，内外表层各铺一层玻璃纤维布，依据公式（1）-（8）该铺层顺序等效后的工程常数如下： 后期，为了降低制造成本，减少了碳纤维复合材料用量，增加了玻璃纤维复合材料的用量。其中加厚区厚度为7mm处，碳纤维层4mm，玻璃纤维层3mm。依据公式（1）-（8）此时的等效弹性常数如下： 同时为了减少结构重量，按照优化结果，对箱体及盖子中间承力区域进行局部加厚（紫色区域），四周区域厚度减薄（绿色区域）。仅表层铺放玻璃布的方案（以下简称方案1）结构设计总重量约5.6kg（不含螺栓），低成本方案结构（以下简称方案2）总重量约6.1kg（不含螺栓）。 5.4强度校核5.4.1底部静压工况校核底部静力强度校核模型采用壳单元建模，对四个固定螺栓孔进行固支，顶部施加1200N载荷，有限元模型如下图所示。 6工艺与试制6.1材料选择为满足量产需求，所选材料需满足快速成型的基本条件（5min/150摄氏度），为降低成本，将玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料混合使用。 6.2工艺方案6.2.4量产工艺（一）箱体工艺：模压成型设备：冷热式热压成型机 图6.2.4-1量产模具-箱体 图6.2.4-2量产设备（二）上盖工艺：模压成型设备：冷热式热压成型机（三）下料与铺放通过编程设计层数，经自动下料机得到所需经裁剪的原料，减少手工裁剪误差和浪费。 图6.2.4-3自动下料机（左）、裁切好的预浸料（右）（四）生产效率评估及量产可行性（1）样品模具采用传统模具设计及成型方法，生产效率低，不是一大批量生产。样品箱体采用单面模热压罐成型，每天生产仅1套。不符合量产化要求。（2）量产模具采用PCM模具两进两出油加热，油路内部循环设计，加热速度快。并采用顶针设计，无需人工脱模，减少人为脱模变形及损伤。成型周期（热固化周期）可达10min/模。符合一定的量产化需求。（3）量产化方案采用多套预成型模具制作预成型体，在设计4套预成型模具的情况下可以与量产成型工序紧密配合，避免原有的间歇式操作工序导致的大量成型时间，提升单位时间产能和生产效率，进一步减少成本。7试验验证7.1现场测试条件7.1.1 电池盒悬挂式底部静力试验（一）按实际工况装卡仿照电池盒实际使用工况装卡(请参赛队自带扳手)，仿照电池总重量均匀施压。电池盒体按照图 2 与试验卡具进行连接，对电池盒底部施加载荷，测试底面的最大变形量。 图7.1.1-1 悬挂式底部静力载荷示意图（橘黄色加载区域为320*320mm）（二）底部承载测试参数等速位移，速度5mm/min，加载到20N保持5秒钟。变形清零，等速位移2mm/min，加载到1200N，记录变形量，底部最大变形不得超过 2mm，拆卸螺栓后连接孔处不得有目视可见损伤，否则为不通过。未通过此项测试的作品不再参加盒体侧向挤压测试。7.1.2电池盒体侧向挤压测试（一）连接方式参赛队需将电池盒盖板与盒体进行连接安装（为测试方便请将螺栓反向连接，所有孔都必须加螺栓），将整个电池盒体按下列条件进行挤压测试（如图3所示）。（二）位移变形位移变形的包络尺寸为 330mm×330mm，保证不接触到电池。侧向承载测试参数：等速位移，速度5mm/min，加载至50N保持5秒钟。变形清零，然后以等速位移2mm/min，加载至100kN，同时测量变形，保载3秒后卸载，若变形超过20mm，即判定产品不满足要求。（友情提示：如作品设计的脱模角度较大，则需参赛队自备与角度相仿的垫片或卡具，卡具参考下图、以方便施加载荷为面接触）。 图7.1.2-1 挤压测试加载示意图（红色为加载区域为100*140mm）7.2试验结果7.2.1底部静力试验结果于4月29日对方案1的样件进行试验，底部静压1200N下，最大位移0.4mm。第一次试验后在方案2的基础上将箱体和箱盖都减少了铺层进行了试验，得到方案3样件。如图7.2.1-1所示，方案3样件在底部静压工况下最大压缩力为1,211.00(N)，底部最大变形量为0.56(mm)。变形小于设计要求（2mm），经试验本电池盒满足要求。 图7.2.1-1 底部静力测试结果7.2.2侧向挤压试验结果于4月29日对方案1的样件进行试验，侧面挤压100kN下，最大位移8.07mm。第一次试验后在方案1的基础上将箱体和箱盖都减少了铺层进行了试验，得到方案3样件。如图7.2.1-1所示，方案3在侧向挤压工况下最大压缩力100,002.00(N)，侧向最大变形10.33(mm)。变形小于设计要求（20mm），经试验本电池盒满足要求。 图7.2.2-1 侧向挤压测试结果8成本分析8.5单套电池盒箱体综合成本表8.5-1复合材料电池盒综合成本（不含模具）方案类型综合成本/元方案一样品1462.38量产1195.42方案二样品1265.28量产997.42
