本文属于类型a：单一原创研究报告。以下是为中国读者撰写的学术报告。

面向中国读者的学术报告：先进高强度钢在电池包框架中的辊压成形工艺与模态分析研究

一、研究作者、机构与发表信息

本文的研究工作由Bin Zhu、Yang Li、Yilin Wang、Yisheng Zhang、Chao Sheng和Xiao Liang共同完成。其中，第一作者Bin Zhu及其同事Yang Li、Yilin Wang（通讯作者）和Yisheng Zhang来自中国武汉的华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室；Chao Sheng和Xiao Liang则来自江西豪斯特汽车零部件有限公司车身制造研究院。该研究成果于2025年发表在 Journal of Physics: Conference Series 第3104卷，论文编号为012079，属于NUMISHEET-2025会议论文。论文以开放获取（open access）形式出版，DOI为10.¹⁰⁸⁸⁄₁₇₄₂-6596/3104/1/012079。

二、研究背景与目的

随着电动汽车产业的快速发展，电池包框架的安全性与轻量化成为设计中的关键因素。电池包是纯电动汽车的核心部件，其质量通常占整车总质量的30%至40%。研究表明，车辆质量每降低10%，功率损耗可减少5.5%，续航里程可相应增加。电池包由电池模组和壳体组成，其中壳体质量占电池包总质量的20-30%。由于提升电芯能量密度的进程较为缓慢，减轻电池包壳体质量成为提高续航里程的有效途径之一。

在材料选择方面，电池壳体经历了从冷冲压钢板、铝合金到复合材料的演变。铝合金因密度低、刚性好而逐渐成为主流，但其制造工艺存在焊接变形大、密封性差等问题。复合材料虽性能优异，但成本高、散热差、回收性低，应用受限。在此背景下，先进高强度钢（AHSS）辊压成形技术因其成本竞争力强、适合大规模生产而受到关注。辊压成形具有效率高、精度好、材料利用率高、生产成本低等优点，且能使高强钢壳体壁厚更均匀，从而提高刚度并降低变形和破裂风险。

本研究旨在探索AHSS在电池包框架制造中的应用，重点研究辊压成形工艺与模具设计，并通过模态分析评估不同AHSS材料的振动特性，以在轻量化与安全性能之间取得最优平衡，同时解决AHSS在冷冲压中出现的开裂、回弹和翘曲问题。

三、研究工作的详细流程

本研究的工作流程可分为四个主要环节：电池包框架结构设计与分析、材料选择与模态分析、辊压成形工艺设计与优化、模具设计与回弹补偿。

环节一：电池包框架结构设计。 研究团队参考了当前最常见的铝合金型材焊接电池托盘设计。该设计的成功之处在于采用空心外框加内部加强梁的结构，形成“预碰撞”主动防护结构，兼顾了加强和轻量化。基于这一结构理念，团队开发了一种由AHSS辊压成形的新型电池箱托盘结构。原铝合金挤压件厚度为3 mm，而新设计的辊压成形件厚度仅约1 mm，体现了显著的轻量化潜力。

环节二：材料选择与模态分析。 振动模态分析是评估和优化结构振动特性的工程分析方法，可用于了解金属框架在不同频率下的响应，评估结构的稳定性、动刚度和固有频率。当电池框架的振动频率与电池模组相近时，可能发生共振现象，增加结构振动应力和疲劳损伤风险。研究选取了两种先进高强度钢——GC820/1180DP（双相钢）和HC1200/1500MS（马氏体钢）进行对比。GC820/1180DP厚度为1.0 mm，HC1200/1500MS厚度为0.8 mm。通过仿真计算获得了两种材料的一阶模态值和整体强度变形量。模态分析图显示，提高材料强度并减小厚度会导致整个电池包壳体的一阶模态值略有下降。同时，强度仿真结果表明，在提高强度的同时减小厚度对电池包整体变形的影响可以忽略不计，说明电池包在受外力时抵抗变形的能力有所增强。

环节三：辊压成形工艺设计与优化。 该研究在公司新建的辊压成形生产线上进行。该生产线配备32道次轧辊，制造过程中主要采用激光焊接。上下辊轴的最小和最大可调范围为160-300 mm，安装辊距为550 mm。研究对象为具有复杂双孔截面的型材，这与现有研究多集中于矩形管或圆管等简单截面不同，因此现有汽车碰撞梁和车身结构件中的参考值对本研究的适用性较弱。团队首先进行了辊压成形图的初步设计，并通过仿真模拟了辊压过程中板材的应变分布。模拟发现应力分布不均匀可能导致板材在辊压成形过程中出现开裂和扭曲，因此必须重新优化辊压成形工艺设计。优化后的工艺流程图和应变情况显示，应变从原来的最大2500微应变降低至最大1630微应变，开裂和扭曲风险显著降低。

环节四：模具设计与回弹补偿。 辊压模具的设计需满足特定成形要求：凸模形状与成形件的外部形状匹配，凹模则与内部形状一致，上下轧辊对材料进行连续挤压变形。对于高强钢辊压成形，回弹是一个重要问题。研究在第14道次对原始轧辊设计进行了产品精度检测。由于轧辊上下表面设计为平面，测试发现轧制产品的直线部分出现回弹，导致产品精度不理想。原始公差范围为±0.5 mm，但变形误差记录为+0.973 mm，超出了规定公差范围。因此，有必要在轧辊设计中加入补偿。在轧辊底部添加回弹补偿后，产品精度达到了要求标准。

四、主要研究结果

模态分析结果（表1）显示：GC820/1180DP（厚度1.0 mm）的一阶模态值为39.9 Hz，HC1200/1500MS（厚度0.8 mm）的模态值为38.3 Hz。这表明提高材料强度并减小厚度后，电池包壳体的一阶模态值仅出现轻微下降（从39.9 Hz降至38.3 Hz），仍在安全需求范围内。强度仿真结果（表2）显示：GC820/1180DP的变形量为0.55 mm，HC1200/1500MS的变形量为0.59 mm。两者差异仅为0.04 mm，说明减小厚度并提高强度对电池包整体变形的影响很小，电池包抵抗变形的能力反而有所增强。

在辊压成形工艺方面，初步设计的应变最大值为2500微应变，经过优化后降低至1630微应变，降幅约35%。这一结果表明优化后的工艺显著降低了板材开裂和扭曲的风险。在模具设计方面，原始轧辊设计导致+0.973 mm的变形误差，超过±0.5 mm的公差范围；加入回弹补偿后，产品精度满足标准要求，证明回弹补偿是保证成形精度的必要措施。

这些结果之间存在清晰的逻辑关系。模态分析结果验证了使用更薄的高强度钢材替代较厚铝合金的可行性，为后续辊压成形工艺的开展提供了材料选择依据。辊压成形仿真中发现的应变集中问题直接推动了工艺优化设计，而优化后应变的降低又为进一步的模具设计提供了基础。模具试制中发现的回弹问题则促使研究团队在轧辊设计中加入补偿，最终实现了产品精度达标。整个研究流程从材料选择、结构设计、工艺优化到模具补偿，形成了完整的“设计—仿真—优化—验证”闭环。

五、研究结论与价值

本研究通过有限元仿真和实验验证，探索了AHSS材料在电池包框架制造中的工程应用。研究得出的主要结论包括：采用DP1180先进高强度钢制造的电池包框架是一种有效的轻量化解决方案，证明AHSS辊压成形技术是铝合金的高效替代方案；为辊压成形设计的结构降低了成本并提高了生产效率；振动模态分析能够有效评估结构的稳定性参数、动刚度和固有频率，通过调整设计参数可以增强抗振性能，提高稳定性和安全性；辊压成形过程的有限元仿真能够精确预测高强钢板的变形行为，但回弹会影响成形精度，必须进行补偿。

从科学价值看，本研究为复杂截面AHSS型材的辊压成形提供了工艺设计参考，特别是双孔截面型材的辊压成形在现有文献中研究较少，本研究的工艺优化方法和回弹补偿策略对同类研究具有借鉴意义。从应用价值看，本研究展示了AHSS辊压成形技术在电动汽车电池包框架制造中的实际可行性，为企业在轻量化和成本控制之间提供了工程解决方案。在新能源汽车产业快速发展的背景下，该研究对于推动电池包壳体材料升级和制造工艺转型具有重要的现实意义。

六、研究亮点

本研究的亮点主要体现在以下几个方面。第一，研究对象具有特殊性：不同于现有研究多关注简单截面的矩形管或圆管，本研究针对具有复杂双孔截面的型材开展辊压成形研究，填补了复杂截面AHSS辊压成形的应用空白。第二，研究方法具有综合性：将振动模态分析、强度仿真、辊压成形工艺仿真和模具精度检测相结合，形成了从材料选择到产品验证的完整研究链条。第三，研究成果具有实践性：研究中发现的回弹问题及提出的模具补偿方案直接来源于实际生产线的试制过程，解决的是工程中的真实问题，而非单纯的理论探讨。第四，轻量化效果显著：新设计的辊压成形件厚度仅约1 mm，而原铝合金挤压件厚度为3 mm，在满足强度和模态要求的前提下实现了显著的减重效果。

七、其他有价值的内容

研究中使用的32道次辊压成形生产线具有较高的工程参考价值。该生产线的技术参数——上下辊轴可调范围160-300 mm、安装辊距550 mm——为同类设备的设计和应用提供了参考数据。此外，论文中对电池壳体材料从冷冲压钢板到铝合金再到复合材料的演变历程进行了梳理，为理解电池包壳体材料的发展脉络提供了背景知识。研究还指出了复合材料在汽车应用中受限于高性能车型的现状，以及铝合金制造中焊接变形和密封性差等问题，这些内容对于全面理解电池包壳体材料选择的工程考量具有参考价值。