新能源电动车底盘甲板轻量化设计

目 录 前言 . 3 第 1章 新能源电动车底盘甲板结构分析 . 5 能源电动车底盘甲板结构参数分析 . 5 能源电动车底盘甲板轻量化方法 . 8 层结构底盘甲板模型 . 9 2 多层结构底盘甲板模型 . 10 能源电动车底盘甲板有限元模拟 . 11 能源电动车底盘甲板夹层结构 . 18 第 2 章 新能源电动车底盘甲板 夹层结构的弯曲特性 . 22 新能源电动车底盘甲板弯曲刚度分析 . 22 新能源电动车底盘甲板弯曲强度 . 25 能源电动车底盘甲板夹层结构的重量计算 . 26 第 3章 新能源电动车底盘甲板夹芯层的设计 . 28 能源电动车底盘甲板蜂窝夹芯弹性常数介绍 . 28 六边形蜂窝夹芯结构力学分析 . 30 四边形蜂窝夹芯结构力学分析 . 31 三角形蜂窝夹芯结构力学分析 . 32 第 4章 新能源电动车底盘甲板夹层结构材料分析 . 35 能源电动车底盘甲板单种材料的选用 . 35 新能源电动车底盘甲板复合材料选用及概述 . 35 合材料的突出特点 . 36 合材料的主要分析 . 37 第 5章 新能源电动车底盘甲板夹层材料轻量化设计 实例分析 . 38 能源电动车底盘甲板弯曲刚度的分析设计 . 39 能源电动车底盘甲板扭转刚度的分析设计 . 40 第 6章 全文总结 . 42 致谢 . 44 参考文献 . 45 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 1 新能源电动车底盘甲板轻量化设计 摘 要： 汽车轻量化在现代交通运输中越来越受到关注，特别在新能源电动车的设计制造中更加重要，通过对汽车结构和形状的设计优化，应用先进的加工技术和轻量化材料来实现整车的轻量化。本文从底盘甲板的设计、底盘甲板夹芯结构的设计和底盘甲板的制造材料等方面对新能源电动车底盘甲板进行轻量化 设计。本文运用阶梯式的研究模式，逐步深入本文课题所提出的设计目的。建立甲板多种结构三维模型并加以论述和验证来对比各种模型的优点和不足；对比金属材料和复合材料的优缺点，选择合适的底盘甲板材料，最终形成完整的新能源电动车底盘甲板的轻量化设计模型。本文的研究为汽车轻量化提供重要的理论支撑，同时促进了夹层结构在工程中的应用推广。 关键词： 底盘甲板；夹芯结构；轻量化；材料。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 2 in in in to of to of of of of In in in is a of to be to of of a an in 械与动力学院 机械设计制造及其自动化 3 前言 当前，由于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。汽车对全球 有害气体的排放，燃料资源和矿产资源的消费等影响很大。为了构建今后可持续发展的汽车社会，各汽车厂家将解决上述问题作为最 重要的课题来研究。日本制定了2015 年度消耗标准，乘用车的 2010 年度油耗标准平均降低 美国推出了每年 4%的 规强 化方针。欧洲法规要求， 2008/2009 年的 放目标 140g/2012年乘用车单体目标平均 130g/了降低油耗，减少 放，强烈要求提高发动机的效率，减少车辆行驶阻力，减轻汽车质量。所以，汽车的轻量化有助于汽车的 行驶、转弯、停车 三大基本性能的提高，并且对环保要求的降低油耗和减少 放发挥重要作用。实施汽车轻量化的主要材料有碳纤维、铝合金、镁合金 、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等，主要用来改造和替代车身材料。汽车轻量化大致可以分为三类 ：车身轻量化、发动机轻量化、底盘轻量化。 本论文的主要研究问题集中于底盘甲板的轻量化，研究目标是通过底盘甲板的设计和材料选用设计出更加轻便耐用的甲板结构和材料模型。本论文的相关工作如下： 1. 通过文献查阅选择需要进行的新能源电动车底盘甲板结构模型，包括新能源电动车底盘甲板单层结构、多层结构、夹层结构。 2. 通过文献分析总结选择需要进行使用系能源电动车底盘甲板的材料，包括钢铁材料、铝制材料、复合材料。 3. 从结构轻量化角度， 对初建的模型进行设计要求的分析，包括应力和强度分析。 4. 通过常用方法进行应力及强度校核，分析模型的合理性和实用性，对模型进行概述。 5. 通过上述的论文过程对整个过程进行分析总结。 总结上述论文分析过程，需要的关键地方集中在对新建模型的力学分析上，这部分也是模型可靠性的关键地方，对力学的分析需要集中于对模型的分部分析，因此此论文下述研究过程有需要借用已发表过的文献综述，将在最后予以说明。并且，通过即将作出的如下分析我们可以很清楚的得到关于新能源电动车底盘甲板轻量化设计的最后目标，而对于后来的轻量化设计希望能够应用上 这些分析结构，我们所得出的是初步的计算和设计结果，当然在实际的应用中可能需要进一步计算所需的实际材料和结构大小， 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 4 而基于目前的设计我们可以得出在普遍设计的基础上进行的最佳方案，这些方案可以在本文中和真实的结构设计中使用，将进一步是的新能源电动车拥有更好的一个车身设计，这也是本文所希望的设计结果。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 5 第 1章 新能源电动车底盘甲板结构分析 本章将根据所查阅的底盘甲板结构的模型进行论述性分析，同时将所选的模型进行对比，通过与此论文的相关性及数据结构进行选择，所需要得出结论包括底盘甲板的选用模型结构，以及对此结构的 相关分析计算。同时在接下来的过程中我们将根据所查阅到汽车底盘相关的数据进行分析。 能源电动车底盘甲板结构参数分析 在本文接下来需要进行的论述中我们需要先了解并熟悉新能源汽车底盘甲板结构的相关参数，因此我们把查阅到的相关参数介绍如下。首先我们先来了解下与汽车底盘甲板相关的说明，在汽车底盘上主要相关的包括，悬架系统，支撑框架和底盘甲板，悬挂系统是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震 动，以保证汽车能平顺地行驶。而悬挂系统主要用于支撑底盘框架，底盘框架上需要安装用于承载汽车整车重量的甲板，因此在新能源电动车的底盘设计上同样需要遵循这样的设计，即底盘甲板将起到关键性的作用，对于新能源电动车底盘甲板分析，我们可以对其进行适当的简化分析，简化后的模型可如下图。 图 1能源电动车模型 根据上述图我们可以看出在新能源电动车的整车模型中我们同样可以得到比较实用 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 6 的底盘简化图形，同时根据上述简化模型我们进一步根据相关具体数据来模拟底盘简化模型，而如下的简化模型我们可以在后续的进一步分析中使用到 ，也清晰地表明了底盘甲板的数据模型。 根据新能源电动车与传统汽车的同源模式，我们以宝马 车为例进行底盘相关的模拟，来建立底盘承载的简化模型，其相关数据如下。 表 1 宝马 车数据 车辆型号： 车辆类别： 轿车 外型尺寸 (长 /宽/高 )： 4645,462418111454（ 货厢 (长 /宽 /高 )： (总质量 ( 1930 车载质量系数 0 整备质量 ( 1470 额定质量 ( 挂车质量 ( 半挂鞍座 ( 额定载客 (人 )： 5 前排乘客 (人 )： 接近角 /离去角： 15/16， 18/16 （ ） 前悬 /后悬： 791/1044, 776/1038(轴距 ( 2810 轴荷： 805/1125 轴数： 2 最高车速 (km/h)： 210 油耗： 簧片数： -/- 轮胎数： 4 轮胎规格： 205/60 25/50 25/45 55/40 轮距： 1543,1531,1537 后轮距 ： 1584,1572,1552 转向形式： 方向盘 起动方式： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 7 根据上述分析和应用的相关数据，我们进一步简化得到如下的汽车模型，如下的模型可为我们提供相关利用的参考，在后续我们需要进一步对提出的多种结构模型进行相关的对比分析，而这一步的模型将起到关键性格作用，我们根据上表做出的模型图如下。 图 1车车身数据结构图 对于汽车底盘的进一步分析，我们知道在大多数汽车的承载结构中汽车底盘并不是完全水平的，而是有一定的向前倾角，这个倾角的数据我们已在前表中给出，而为了便于后续的分析和建模，我们在 这一步进行了简化，即我们的模型中可以设计为汽车底盘甲板在承载重量时是处于完全水平的，对于本文研究的新能源电动车的底盘甲板分析我们也同样使用这种简化分析方案。 对于新能源电动车的底盘甲板和承载我们进一步简化如下，即简单设想为在一个底盘甲板下有两个横向支撑杆，在甲板上面施加一定的力，便可在理论范围内模拟出底盘甲板的承载受力情况，后续导入到有限元分析软件中进行分析，在多种方案中进行清晰的相关的对比。 图 1车底盘简化图 2810 4645 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 8 通过上述的简化我们可以很清晰的看出新能源电动车底盘甲板的承载情况，同时进一步加上受力情况后可以得到如下的受力情况见图。 图 1车底盘简化受力图 基于以上的分析我们进一步看到，本文的研究重点在上述简图中得以体现，即主要集中于底盘甲板的设计上，而对于新能源电动车底盘甲板的轻量化设计便需要用到我们对于底盘甲板的轻量化方法。对于新能源电动车底盘甲板的轻量化方法我们将在下一节中论述。 能源电动车底盘甲板轻量 化方法 对于新能源电动车底盘甲板所应用的轻量化方法将决定着本文后续的研究成效，因此提出更加合适有效地轻量化方法尤其重要，我们在这里首先总结下相关论文和文献的研究方案，在此基础上我们可以提出与本文相适应的设计方案。 首先对于汽车轻量化的方法相关研究主要集中于对汽车发动机轻量化、汽车车身轻量化、汽车内置系统轻量化等相关研究方面；对于新能源电动车底盘轻量化主要集中于对底盘悬架和甲板轻量化的研究方面，在甲板轻量化方面包括： 1、容量削减，通过相关技术来削减底盘甲板的容量，及在一定要求下减少底盘甲板的体积容量来减轻底 盘甲板的重量，这样来达到轻量化的目的。 2810 4645 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 9 2、机能削减，即通过一定的技术来去除底盘甲板上可以精简掉的多余机能部分或者将多个机能部分合并以更加先进的技术和工艺制造，这样来达到对于底盘甲板的轻量化目的。 3、余量削减，通过更加精湛的工艺在底盘甲板加工时削减掉多余的可去除加工余量，对于厚重的底盘甲板，通过这种方法仍然可以在一定程度上达到轻量化目的。 4、 ，即在一定程度上通过设计要求在底盘上和底盘甲板中适量加入铝质材料，由于满足使用要求和承载力度，这种方法同样有一定成效。 5、对于第五种常用的方法也是本文将重点 讨论的一种方案，即在底盘甲板设计和材料制造上做出变换，在相关文献和论文中也有涉及此方法，但在详细的地方和成效对比上仍然可以进一步研究。 下面我们将更加详细的来分析本文的研究所需要使用到的相关方案，并通过模拟对比来验证我们的方案，在后续的研究中提供更加可靠的保障。通过前文 的新能源电动车底盘甲板结构分析我们看到，地盘上甲板承受着车体的重量，而我们根据前文的方法将底盘甲板简化为一个规则的长方形甲板，这样便于研究，形象的来说，对于这样一个甲板，需要在一定要求下减轻其重量，我们为了更加清晰地了解方案的由来，可 以运用阶梯式的分析方法，即在相关数据和文献中来明显的提出一项方案，通过对这项方案的改进再改进来达到我们最终希望的效果。由于根据前文 的新能源电动车底盘甲板分析，我们简化出了长方形的模型甲板，因此我们可以先使用这样一项方案来应用到底盘甲板的设计中。接下来在如下的讨论中我们需要先对新能源电动车底盘甲板整体结构模型进行初步的设计分析，分析如下。 层结构底盘甲板模型 单层结构模型可简化为长方形甲板结构，长方形即矩形结构优点明显，即矩形结构在电动汽车底板制造时更容易加工，同时由于底板形状规整，各 处应力及强度更加均匀；其次关于矩形的设计时，整体上更加容易选材，不需要经过特殊加工，甲板受力情况更加容易控制。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 10 图 1层结构底盘甲板 根据以上分析，此设计方案有可取之处，但是考虑到以下不足有以下需修改的缺点：此设计面板为整体实心设计，即电动汽车底盘甲板面板面积一定，面板厚度为 a，则以上模型厚度即为 a，当面板厚度 a 一定时，材料选用为钢材或者复合材料。 1，如果选用钢材进行设计制造，则根据判断可知重量将超过一定要求 m，此设计将不符合新能源的设计理念； 2，如果选用复合材料进行设计制造，此底盘甲板的性能 和要求将完全满足设计的性能要求和重量要求，复合材料 (是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料，复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。以上分析概述了复合材料的各项性能指标均符合要求。同时考虑到汽车底盘甲板的制造成本不宜过高，如果完全使用 复合材料制造底盘甲板，将使整车的制造成本显著过高，将不符合制造工业的制造理念。因此综合上述分析过程。我们将不采用此方案的设计，下面将重点分析另外两种设计方案。 2多层结构底盘甲板模型 多层结构模型同样可简化为长方形甲板结构，长方形即矩形结构优点明显，同 矩形结构在电动汽车底板制造时更容易加工，同时由于底板形状规整，各处应力及强度更加均匀；其次关于矩形的设计时，整体上更加容易选材，不需要经过特殊加工，甲板受力情况更加容易控制。而多层结构各项性能更加突出，分析如下。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 11 图 1层结构底盘甲板 通过简化图形可看出，多层结构可看做多种面板材料压制而成，从图形中可分出依上而下为 a,b,c 基本面板， a 可为基本承载材料层， b 可为性能较强的抗拉压面板层， 设计的优点同 计方案相比具有明显的优点；首先可以看出由于此设计包括多层结构，各层材料可根据具体需要和底盘甲板特性更换制造；其次此设计相比于 层结构将更加具有较多特性，由于各相异材料具有不同特性，此多层面板将根据所用材料差异而具有更加多样的性能，在 a,b,c 三种面 板材料相互互补中，底盘甲板将可以承受更加多的重量，同时底盘中由于使用质量更轻便的 b 层材料，在满足要求的同时，底盘甲板重量将更加轻量化，相比于 设计，更加体现出新能源汽车的设计理念。 通过上述分析，相比于 设计理念， 更好的体现了新能源汽车的设计要求，而如下将分析多层材料的制造工艺；由于多层设计的要求， a,b,c 设计更加复杂，其中 b 面板可能使用复合材料制造，在将各层材料面板制造出来后，还需要将 a,b,c 三层材料整合在一起成为一个整体，这其中的整合可使用到胶合工艺等 ，因此在工艺上需要更加改进。而此设计方案在整体要求和性能指标上普遍优于 设计方案，因此，此两项设计方案中，根据最终的要求和各项特性我们可选用此项设计方案。 能源电动车底盘甲板有限元模拟 在这一节中我们进一步使用有限元软件 对上述关于阶梯式设计分析底盘甲板合理性的方案进行有限元分析，我们知道在上述的分析方法中我使用了称为阶梯式的设计分析思想，这种设计思想的好处是对于初级设计者来说，能够很快的通过原始思路来进一步做出更加深化和优秀的设计方案，而在上述的基础上我们通过已有的数据来对 新能源电动车底盘甲板轻量化进行相关模拟分析。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 12 通过上表我们已知数据有： 长 宽 高 =462418111454;（ 车型总的尺寸） 底盘甲板数据我们取： 长 宽 高 =4624181120； (汽车车重为： W=1930 其中底盘甲板面积： S=46241811=8374064； 在模拟时我们对数据进行处理的到相应的压力有： F=231 通过 模我们得到的图形如下： 1，单层结构 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 13 2，多层结构 由上述模型我们将其导入到 件中分析受力，在得到的分析结 果中我们将结果列于下： 1，单层结构的底盘甲板有限元分析结果： 定向变形： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 14 等效应力： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 15 等效弹性应变： 总变形： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 16 2， 多层结构的底盘甲板有限元分析 ： 等效应力： 等效弹性应变： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 17 总变形： 定向变形： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 18 由上述的有限元分析结果我们可以看出，当我们将新能源电动车底盘甲板进行改进，即由单层结构设计为多层结构时，在多层结构中心层换用其他材料，这时由于各种材料的相互配合，使得这种多层结构相比第一种单层结构在各种应力的承载时更有优势，多层结构的应力变形显得更加均匀平整。通过上 述的分析使得我们有理由相信要实现新能源电动车底盘甲板的轻量化，我们便需要在底盘甲板的夹芯中做出优化设计，进一步将中心层结构设计为蜂窝式结构将有更加显著的轻量化效果。关于蜂窝夹芯的设计方案我们将在后面继续讨论。 能源电动车底盘甲板夹层结构 根据上述 的分析我们发现，在同样的体积结构底盘甲板中使用多层结构时，中间的夹层进行相应的变化选择，在一定程度上具有明显的轻量化效果，并且在有限元分析中也同样能够满足我们的设计要求。这样根据上述分析在多层结构上我们进一步提出如下设计方案，即在多层结构的模型中 我们将中间层的结构设计为空洞型的结构，也即在有些文献中提出的蜂窝夹芯结构设计方案，简要分析可知，在同样的面板大小中我们是在之前提出的新能源电动车底盘甲板轻量化方法中应用了去除多余部分的方法，即 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 19 在满足设计要求的情况下我们去除掉多层结构中的夹芯层的一部分，形成蜂窝的结构，而其承受力和强度仍然满足我们的设计要求，这样便在很大程度上精简掉了可以去除的底盘甲板部分，轻量化效果显而易见。下文我们便基于此来进行相应的分析和改进设计，来达到课题提出的新能源电动车底盘甲板轻量化设计的目的。 夹层结构复合材料是复合材料的一种特 殊类型 ，由于这种轻型结构材料具有良好的比强度、比刚度、最大抗疲劳性能和表面平整光滑等特点 ，因此航空航天 、汽车、船舶 等领域得到较为广泛的应用。世界范围内对夹层结构的研究也日趋成熟，有关该结构的特性 、制造工艺等的研究也越来越广泛。随着研究的不断深入，夹层结构的优点也愈加明显。夹层结构除了具有高的比强度和比刚度以外，同时具有良好的抗振动 、保温、防腐蚀等特殊优点 ，因此其应用范围也逐渐扩大 。其中，底盘甲板设计中夹层结构模型应用为重点设计方向，综合各项设计案例考虑选用蜂窝夹层结构的底盘甲板设计方案。考虑 到蜂窝夹层结构是最符合要求并且从结构层次考虑是最合适的结构设计。 下面将给出底盘甲板的外形结构模型，并对此模型加以分析，初步给出选用此模型的各项优点，并对模型的相关数据进行初步验算，得出合理的结构模型数据，同时对 模型设计方案在理论分析上进行对比，得出更加完整的设计方案。 图 窝夹层结构模型 上图中的承载夹层复合材料的结构形式为夹层结构，由比较薄的面板与比较厚的夹芯采用胶粘剂粘结而成 ，如图 示。 一般夹板采用强度和刚度比较高的金属材料或者复合材料，夹芯采用密 度比较小的材料。本文主要针对矩形夹层结构进行研究 ，问时约定将承载夹层复合材料夹层结构简称为夹层结构。夹层结构具有质量轻、比刚度与比强度大、抗失稳能力强 、耐疲劳、吸音和隔热等优点 ， 因此在飞机、汽车、轮船、桥梁等工程结构上得到了广泛应用。由于夹层结构具有以上优秀的性能特点，在本文所探讨的新能源汽车底盘甲板的设计中是最佳设计方案，所需要解决的便是底盘甲板的夹心层的设计方案和材料选用。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 20 图 窝夹层结构分解图 同时，基于以上的蜂窝夹芯我们在此提出后文将要研究的几种蜂窝夹心层的设计方案，蜂窝夹 芯层的设计是本文新能源电动车底盘甲板轻量化的关键研究点，对提出的方案我们将进一步在后文论述其合理性和实用性。蜂窝夹芯的设计包括已有的一些方案中主要有如下设计方案。 1、正三角形夹层结构，即在上下面板的中间层我们设计为正三角形网格形式的底盘甲板夹层结构。 2、正方形夹层结构，即在上下面板的中间层我们设计为正方形网格形式的底盘甲板夹层结构。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 21 3、正六边形夹层结构，即在上下面板的中间层我们设计为正六边形网格形式的底盘甲板夹层结构。 根据上述的设计方案，我们在下文进行相应的力学和强度分析 ，从而来得出后续需要使用的相应公式和方法。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 22 第 2 章 新能源电动车底盘甲板 夹层结构的弯曲特性 在夹层结构中 ，面板是主要的承载者 ，主要承受侧向载荷和平面弯矩 ：而夹芯则主要承受剪切力 ，通过构造有效的夹芯结构起到减轻重量的作用。夹层结构设计必须满足最低强度和刚度要求。一般情况夹层结构上下面板厚度相同 ， 夹芯厚度远远大于面板厚度。由于胶粘剂很薄很轻，可以忽略胶粘剂厚度的影响，因此为了研究的方便，本文只对面板层 、夹芯层以及整个夹层结构进行研究，而忽略胶粘剂层的影响。假设夹层结构的上 、下面板层厚度间 为 t（单位均为 , 夹芯厚度为 c ，长度为 l ，宽度为 b ，高度为 d ，可 以得到 d = 2t + c,当 t；即在一定大小底盘甲板上，采用正六边形的夹芯结构设计方法能够去除更多的甲板材料，这样在根据上述强度及应力的计算条件满足的情况下，正六边形的夹芯结构设计所得到的轻量化效果更佳。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 35 第 4章 新能源电动车底盘甲板夹层结构材料分析 在汽车制造中，材料的选用 将关系到汽车的整体性能和使用要求，在工程设备包括大量汽车制造业中，通常采用金属材料，主要用材有钢铁、铝材，大多辅助材料为树脂，橡胶等。而在本文研究中我们主要需要使用到更轻更耐用的材料，厚重的钢铁显然不符合设计理念，因此我们在使用中会主要参考铝材的制造工艺，但同时铝材在受力刚度上与钢铁相差一段距离，所以我们在考虑到符合材料的选用，同时，复合材料的各项性能及受力刚度在一定条件下更加结实耐用。 能源电动车底盘甲板单种材料的选用 单层材料选用主要包括钢铁材料的选用，而钢铁材料的使用具有过量的集中应力，尤 其在汽车底盘甲板上，根据本文的研究方向，我们在地盘的制造上关键部分可仍然使用钢铁材料，而根据上述研究方向和应用条件，我们在轻量化设计中主要研究目标是夹层结构的设计，在满足承重的条件下单一使用钢铁材料显然并不会达到之前的研究目标，因此此项探讨仅作为后续的研究前提。 新能源电动车底盘甲板复合材料选用及概述 在本文研究前面我们已经粗略提出过复合材料选的设想，下面的探讨将主要围绕这个话题展开，最后可以达到轻量化设计的主要选材结果上。 复合材料的主要应用领域有： 航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强 度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。 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。 化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。 医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收 X 射线特性，可 用于制造医用 X 光机和矫形支 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 36 架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。 从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料 将被应用到汽车制造业中。 随着现代科学技术的发展，具有轻质、高强度、耐腐蚀、易合成型等优点的非金属材料越来越多的取代传统的金属材料，在汽车上得到了应用。在汽车工业中非金属材料有塑料、橡胶、摩擦材料、涂料、胶黏剂、复合材料、玻璃、纺织材料、密封材料及润滑油等。其中汽车用复合材料在汽车工业中越来越得到广泛的重视和应用，而且有着一定的市场开发前景。一般称为复合材料的是由纤维等增强材料与基底（母体）等 2 种或2 种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成。它与纤维增强塑料（ 纤维增强金属（ 金属 层叠材料等相当，具有质量轻、强度高、刚度好的特点，这些复合材料在汽车零部件上应用很盛行。 合材料的突出特点 1) 比强度与比模量高。比强度、比模量是指材料的强度和模量与密度之比，比强度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。因此对高速运转的结构件或需减轻自重的运输工具具有重要意义。 2) 纤维增强复合材料中的纤维与基体间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，外加载荷由增强纤维承担。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的 30% 50%，而复合材料则可达到 60% 80%。 3）在热塑性塑 料中掺入少量的短切碳纤维可大大地提高它的耐磨性，其增加的倍数可为原来的好几倍。如聚氯乙烯以碳纤维增强后为其本身的 ，聚四氟乙烯为其本身的 3 倍；聚丙烯为其本身的 ；聚酰胺为其本身的 ；聚酯为其本身的 2 倍。选用适当塑料与钢板复合可作耐磨物件，如轴承材料等。用聚四氟乙烯（或聚甲醛）为表层、多孔青铜和钢板为里层的三层复合材料，可制成滑动轴承的良好材料。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 37 4）化学稳定性优良。纤维增强酚醛塑料可长期在含氯离子的酸性介质中使用，用玻璃纤维增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀及容器等 设备。如用耐碱纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。耐碱纤维可用来取代钢筋与水泥复合。 5）耐高温烧蚀性好。纤维增强复合材料中，除玻璃纤维软化点较低外，其他纤维的熔点（或软化点）一般都在 2000 以上，用这些纤维与金属基体组成的复合材料，高温下强度和模量均有提高。 6）工艺性与可设计性好。调整增强材料的形状、排布及含量，可满足构件强度和刚度等性能要求，且材料与构件可一次成型，减少了零部件、紧固件和接头数目，材料利用率大大提高。 合材料的主要分析 在汽车制造中我么可以看到的复合材料包括 1）碳纤维强 化塑料（ 2）纤维增强金属（ 3)金属 4)车用玻璃纤维增强复合材料；在上述的材料中我们可以查到这些的性能条件，有些是在研究中的复合材料，在目前的材料选用中，玻璃纤维仍然是用量最大的复合材料。 在汽车工业中的复合材料设计应注意 3 个原则： 1）比强度高和比刚度高； 2）材料与环境相适应； 3）性价比高。 根据上述的分析，我们可以很明显的看出复合材料的优势，因此可以在此做出更加确定的总结，根据上文分析以及对轻量化设计中所做的研究，我们可以在汽车底盘甲板以及夹层结构中使用复合材料，这些复 合材料的性能和优势特点在上述文章中已经给出说明。通过我们已经作出的各项研究设计和理论概述，后面将对整篇设计设计过程给出更加清晰地总结性概述。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 38 第 5章 新能源电动车底盘甲板夹层材料轻量化设计实例分析 在之前的分析概述中我们解决了本文中最关键的部分，即底盘甲板轻量化设计的夹芯层设计方案，因为在底盘轻量化的设计中，如果解决好了夹层结构的设计，在满足各项要求的情况下，我们可以制造出更加坚固耐用同时重量更加轻盈的地盘设计，这在电动汽车的减重方案中将得到更好的设计效果。因此接下来我们将主要针对具体的设计模型和参数 来验证上述的分析设计过程。下文中将使用到一些文献资料和研究成果，我们会在尾页给出说明，对于已经得到验证的实验数据和分析过程我们将不再探讨，本文中所直接使用的关系式均已出处。 根据我们之前的设计要求，我们得到的各项设计方案均需要达到同样的目的，即提高强度和减轻车身重量，本文关键之处在于减轻底盘甲板的重量。下面的分析将主要围绕具体的数据结构展开。 图 5动车底盘构造图 上图为新能源电动车地盘设计图，根据资料显示，该电动车底盘甲板原始材料使用的是钢板，在设计要求中我们需要尽可能减轻地盘的重量，因此根据前 述上文，我们需要在甲板上进行改进设计，在考虑到地盘的稳定性和安全性后，我们后续主要会采用复合材料进行设计夹层结构，这样根据已知的要求，我们选用铝合金 2024 面板材料，屈服刚度为 758计要求为 345续只需要考虑弯曲刚度和扭转刚度等要求即可。数据如下表： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 39 表 4盘甲板初始参数和轻量化设计要求参数 底盘甲板初始参数 底盘甲板轻量化设计要求 尺寸要求（单位： 长度 2400 尺寸要求（单位： 长度 2400 宽度 1200 宽度 1200 厚度 4 厚度 20 屈服强度（单位： 345 屈服强度（单位： 345 弯曲刚度（单位： 3860 弯曲刚度 D（单位： D 扭转刚度（单位： 1480 扭转刚度 K（单位： K 单位面积重量 W（ 位面积重量 W（ 减轻 15%40% 表 4层结构属性参数 密度（ 弹性模量（ N/） 剪切模量（ N/） 面板层（铝合金2024） 2780 夹心层（复合材料夹芯） 240 45 能源电动车底盘甲板弯曲刚度的分析设计 在保证强度要求的前提下，考虑弯曲刚度进行设计，而根据下述公式有： 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 40 夹心层厚度 c、面板层厚度和夹层结构最小重量表达式： （ 5 （ 5 （ 5 根据上式可得： c=m; （ 5 t=m; （ 5 W= （ 5 能源电动车底盘甲板扭转刚度的分析设计 同 分析相同，我们同样需要对扭转刚度进行分析计算，使用到以下公式有： （ 5 （ 5 （ 5 上式中 扭转刚度约束 下夹层结构重量最轻时夹心层厚度， 扭转刚度约束下夹层结构重量最轻时面板层厚度， 扭转约束下夹层结构最小重量， 通过上述公式的计算可得在考虑扭转刚度条件下，得出的以上设计要求结果为： m; （ 5 m; （ 5 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 41 （ 5 通过上述分析可以看出，在两种条件下加上的约束所得出的结果与条件要求的非常接近，而其中的计算结果可以看作仍然满足了设计要求，在同时加上上述各项约束条件的情况下，我们可以以同样的分析方案验证此设计模型的各项性能要求仍然符合产品的使用要求。 根据上述的分析设计我们可以总结出在本文所要探讨的底盘甲板轻量化中，我们通过所提出的夹层结构方案和正六边形夹芯结构方案在上述的分析验证中仍然是最佳的设计方案，至此我么可以初步确定出在上述的分析设计中我们得出了令设计满意的设计方案。在后续我们将根据在开题报告中提到的要求继续探 讨底盘甲板轻量化的设计方案，下面我们会主要针对底盘甲板的选材上进行初步探讨，在材料选择上进一步选出更加轻盈耐用的底盘材料，在轻量化设计底盘甲板中具有重要的意义。 机械与动力学院 机械设计制造及其自动化 42 第 6章 全文总结 底盘甲板轻量化设计主要集中于底盘甲板夹层结构的设计中心来展开，我们在上面的探讨设计和研究