近年来,随着国家在产学研方面的大力投入,我国在新能源汽车尤其是电动汽车领域取得了较大成就,且电动化已然成为助推未来汽车“新四化”转型和长足发展的巨大推动力。发展电动汽车,除了对其核心“三电”技术的研发外,对其进行结合多材料运用、结构优化和工艺改进的轻量化设计也至关重要。在目前新能源补贴退坡、续航里程成为发展瓶颈的背景下,针对电动汽车“心脏”动力电池包进行轻量化设计既可提高电池包能量密度、增加续航里程,又能通过一定的优化提高电动汽车安全性等综合性能。同时轻量化与电动化的结合,更有利于低碳社会的构建。基于此,本文将减重效果优异的复合材料应用到汽车电池包上,通过有限元分析和优化,验证复合材料的轻量化潜能和应用前景。本文以科技部重点研发计划项目“全新架构电动汽车结构-材料-性能一体化多目标优化设计”(2016YFB0101601)为依托。针对电池包箱体结构,在五种静力学工况和模态工况金属电池包性能分析值的约束下,对SMC复合材料电池包上盖板、碳纤维复合材料(CFRP)电池包下箱体进行了复合材料多步优化设计及多工况性能验证。最终,在实现46.15%高减重比率的同时,电池包的刚度、强度和模态性能有所提升,且多工况性能均满足使用要求。本文研究内容具体为:1.CFRP和SMC复合材料样件试验和仿真对标为获取可靠的复合材料电池包仿真参数,首先对48K单向碳纤维进行了RTM工艺层合板制作、样件试验,获取了模量、强度等参数及相关曲线。该材料主要应用于工况恶劣的电池包下箱体结构。同时,也由试验获取了SMC复合材料参数,该材料主要应用于受载简单的电池包上盖板。此外,为验证复杂的各向异性材料参数可靠性,还对CFRP进行了方筒压溃和零部件级别的发动机罩模态仿真与试验对标。2.常见工况下金属电池包有限元性能分析基于等刚度设计原则,对某款金属电池包产品进行有限元建模,并确立了五种高计算效率的静力学分析和约束模态分析典型工况。对工况下产品性能参数值进行提取,以此作为复合材料电池包优化设计的约束。3.复合材料电池包箱体结构优化设计依据不同的使用工况,基于多材料设计理念,首先将综合性能良好、具有成本优势的SMC复合材料应用到上盖板上,并对其进行基于模态频率的形貌优化和尺寸优化,确定其最优结构形式。然后将综合性能优异的CFRP应用到下箱体上,并对其进行复合材料建模,最终对其执行自由尺寸、尺寸和层组次序的多步优化。在尺寸优化过程中,将电池包加强支架考虑在内以实现更优的减重效果。4.多工况复合材料电池包性能验证根据国家和企业标准,对完成优化的复合材料电池包进行随机振动、机械冲击、挤压、底部球击和跌落的多工况性能分析,验证静力学和模态分析基本工况约束下复合材料电池包优化方法的可靠性。本文的研究意义在于:结合轻量化的需要,针对电池包箱体不同结构的特征和功能,选用合适的复合材料;在等刚度设计理念下,基于常见的基本工况对其结构进行了高效优化;且最终的多工况性能分析结果验证了优化方案的可靠性。该方案对于复合材料在电池包及其他新能源汽车部件上的轻量化相关应用具有一定的参考价值。