電動汽車正面碰撞安全性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王晉　喬鑫　董浩存　梁宇

（1.華晨汽車工程研究院，沈陽　110114；2.沈陽理工大學(xué)，沈陽　110159）

電動汽車正面碰撞安全性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王晉1喬鑫1董浩存2梁宇1

（1.華晨汽車工程研究院，沈陽110114；2.沈陽理工大學(xué)，沈陽110159）

為研究某電動汽車車身結(jié)構(gòu)的安全性能，根據(jù)中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）搭建了整車正面碰撞有限元模型，并對該電動汽車進(jìn)行了正面碰撞仿真分析。針對該電動汽車出現(xiàn)的中央通道彎折嚴(yán)重、前地板變形過大而導(dǎo)致的電池安全性問題，從正面碰撞載荷傳遞方式和車身變形情況分析了該問題產(chǎn)生的原因并提出了優(yōu)化方案。優(yōu)化結(jié)果表明，該優(yōu)化方案提高了中央通道的抗彎能力，前地板變形趨勢減弱，電池安全性能提高。最后通過實車試驗驗證了該優(yōu)化方案的可行性。

主題詞：電動汽車正面碰撞安全性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1　前言

近年來，純電動汽車的發(fā)展受到人們高度重視，同時，電動汽車的碰撞安全性能也成為研究的重要領(lǐng)域。本文為研究某電動汽車車身結(jié)構(gòu)的安全性能，搭建了整車正面碰撞有限元模型，根據(jù)C-NCAP的要求對該電動汽車進(jìn)行了正面碰撞仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果提出了車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過正面碰撞試驗驗證了優(yōu)化方案的可行性。

2　整車有限元模型的建立

本文所研究的電動汽車是在傳統(tǒng)汽油車基礎(chǔ)上改造的，它與原型車的最大區(qū)別在于該電動汽車地板下部放置了1個大質(zhì)量的動力電池，因而增加了汽車的整車質(zhì)量，也使得碰撞能量進(jìn)一步增加。該電動汽車的整車有限元模型由白車身、動力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后懸架系統(tǒng)、前后保險杠、動力電池和充電機(jī)等組成。整車模型大部分網(wǎng)格為板殼單元，單元大小在4～10 mm內(nèi)，其中殼單元總數(shù)為1 377 577，實體單元總數(shù)為82 759。由于動力總成（由電動機(jī)和變速器等組成）剛度較大，在碰撞中基本不變形，所以可以視為剛體，建模時根據(jù)動力總成外形輪廓建立殼單元模型，將其設(shè)為剛體材料進(jìn)行模擬，動力總成有限元模型如圖1所示。根據(jù)CNCAP正面碰撞工況要求，整車以50 km/h的初始速度撞擊剛性墻，整車碰撞有限元模型如圖2所示。

3　整車正面碰撞仿真分析

按照C-NCAP正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗要求，對電動汽車整車碰撞有限元模型進(jìn)行了加載計算，其碰撞變形情況如圖3所示。由圖3可看出，電動汽車碰撞后發(fā)動機(jī)艙蓋發(fā)生褶皺，車輛前端吸能較好，A柱及頂棚無明顯變形，然而駕駛員側(cè)下地板與圖2相比有明顯變形。為查看地板變形情況，在后處理軟件中將車身地板結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了單獨(dú)顯示，圖4為電動汽車與原型車中央通道碰撞變形情況對比。

圖1　動力總成有限元模型

圖2　整車碰撞有限元模型

圖3　電動汽車整車正面碰撞仿真結(jié)果

圖4　電動汽車與原型車中央通道碰撞變形情況對比結(jié)果

由圖4可看出，電動汽車座椅橫梁前端處的中央通道出現(xiàn)明顯彎折（黑框線內(nèi)），而原型車座椅橫梁前端的中央通道變形很小（黑框線內(nèi)）。對于該電動汽車，若座椅橫梁前端中央通道變形過大會產(chǎn)生以下問題：

a.由于動力電池安裝在車身地板下端（圖5），若中央通道變形過大會使車身地板部件直接撞擊到電池上，從而使電池存在安全隱患。

圖5　動力電池與車身地板相對位置

b.若電動汽車中央通道變形過大，將直接引起座椅前橫梁下沉，從而使前排座椅產(chǎn)生繞Y軸的前向翻轉(zhuǎn)。座椅的前向翻轉(zhuǎn)會導(dǎo)致假人在碰撞過程中存在下潛趨勢，將不利于對乘員的保護(hù)。

3.1整車碰撞載荷傳遞路徑分析

在汽車正面碰撞過程中，碰撞載荷主要沿著上、中、下3條路徑向車后傳遞。上部載荷主要通過散熱器上橫梁到上縱梁再沿著A柱向后傳遞分散，中部載荷主要通過保險杠橫梁到前縱梁再沿著地板向后傳遞，下部載荷主要通過車輪傳遞到門檻，再沿著門檻向后傳遞。而電動汽車由于電池布置原因使得車身地板結(jié)構(gòu)與原型車存在較大差別，所以兩車正面碰撞主要差別在于中部載荷的傳遞方式。圖6為電動汽車和原型車中部碰撞載荷傳遞路徑對比。

圖6　電動汽車與原型車中部碰撞載荷傳遞路徑對比結(jié)果

由圖6a可看出，電動汽車由于動力電池安裝在地板下方，為保證一定的離地間隙，故在原型車基礎(chǔ)上將座椅橫梁區(qū)域的地板抬高，同時將原車身地板分割后重新進(jìn)行焊接，形成電動汽車的地板結(jié)構(gòu)，這就使得電動汽車的坐椅橫梁區(qū)域與前地板在Z向存在斷差（圖7），而原型車地板從前到后是一個完整的部件，有利于碰撞載荷的傳遞。

圖7　電動汽車縱梁中心縱向切平面碰撞載荷分布

由電動汽車中部碰撞載荷傳遞方式可知，當(dāng)電動汽車撞擊剛性墻后，碰撞載荷由保險杠橫梁經(jīng)吸能盒傳遞到縱梁，在縱梁根部碰撞載荷分成3條路徑，第1條路徑是載荷通過縱梁延長梁經(jīng)門檻加強(qiáng)梁傳遞到地板后端；第2條路徑是經(jīng)中央通道加強(qiáng)梁傳遞到地板后端；第3條路徑是經(jīng)縱梁延長梁直接傳遞到地板后端。然而，通過路徑2的碰撞載荷與通過路徑3的碰撞載荷傳遞到座椅橫梁前端時，由于座椅橫梁區(qū)域與前地板形成的斷差，使得這兩部分載荷不能直接傳遞到地板后端。這就導(dǎo)致這部分碰撞載荷與車輛碰撞時產(chǎn)生的慣性載荷相互作用后在座椅橫梁前端產(chǎn)生剪切變形，如圖8所示。

圖8　碰撞后座椅橫梁前端變形縱向截面視圖

對于原型車，碰撞載荷傳遞到地板后方的路徑至少有兩條（以駕駛員側(cè)為例），第1條傳遞路徑是經(jīng)縱梁延長梁傳遞到地板后方；第2條傳遞路徑是通過中央通道加強(qiáng)梁傳遞到地板后方。這部分碰撞載荷會經(jīng)中央通道加強(qiáng)梁直接傳遞到地板后端。

3.2車身地板變形分析

斷差的存在在引起座椅橫梁剪切變形的同時，也使得其在碰撞過程中存在以下問題：

a.電動汽車碰撞載荷傳遞到地板后端的路徑僅有1條（以駕駛員側(cè)為例），即通過門檻加強(qiáng)梁傳遞到車身后側(cè)。這就導(dǎo)致了門檻加強(qiáng)梁承受的載荷很大，最終使其變形嚴(yán)重，尤其是圖9a區(qū)域1所示搭接件的彎角處。

b.圖9a區(qū)域1中所示的搭接件彎角處的變形程度直接關(guān)系到縱梁延長梁能否撞擊到動力電池上。由圖9a區(qū)域2可以看出，縱梁延長梁末端幾乎撞到動力電池上，電池存在安全風(fēng)險。

c.碰撞過程中前地板發(fā)生的褶皺現(xiàn)象進(jìn)一步增加了縱梁延長梁撞擊動力電池的風(fēng)險。

由圖9b可看出，與電動汽車地板變形相比，原型車地板并未出現(xiàn)明顯變形。這是因為原型車地板從前到后比較平整，并無斷差結(jié)構(gòu)，碰撞載荷傳遞的路徑多，碰撞能量分散的比較合理。

圖9　電動汽車與原型車碰撞速度歸0時刻的地板變形情況對比（仰視圖）結(jié)果

4　車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上述分析可知，斷差是引起中央通道彎折嚴(yán)重的主要因素，而這種斷差的形成是由于電池的布置不能改變導(dǎo)致，所以在不改變電池布置方式的基礎(chǔ)上對車身地板進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化方案如下。

a.在電動汽車中央通道（座椅橫梁）下方增添加強(qiáng)件來減小其在碰撞過程中變形程度。該加強(qiáng)件厚為1.5 mm，材料為SAPH440，并且覆蓋住中央通道彎折位置。圖10為中央通道加強(qiáng)件示意。

圖10　中央通道加強(qiáng)件示意

b.為降低縱梁延長梁根部撞擊動力電池的風(fēng)險，同時進(jìn)一步緩解中央通道的變形，需要對門檻加強(qiáng)梁與縱梁延長梁搭接件進(jìn)行優(yōu)化。圖11為縱梁延長梁和門檻加強(qiáng)梁搭接件優(yōu)化前、后對比結(jié)果。由圖11b可看出，將該搭接件邊界進(jìn)行了擴(kuò)大，邊界向x負(fù)向（基于整車坐標(biāo)系）延長，增加了其與地板的覆蓋面積，同時也增加了搭接件的抗彎能力。

圖11　搭接件優(yōu)化前、后對比結(jié)果

c.為消除前地板的褶皺現(xiàn)象，即讓更多的碰撞載荷傳遞到中央通道加強(qiáng)梁上，需要對縱梁延長梁前端與中央通道加強(qiáng)梁前端之間的搭接件進(jìn)行改進(jìn)。圖12為電動汽車前地板優(yōu)化前、后對比結(jié)果。由圖12可看出，優(yōu)化前搭接件與中央通道加強(qiáng)梁的夾角幾乎為90°，這種方案不利于碰撞載荷的傳遞；而優(yōu)化后搭接件折彎處采用了過渡圓角，有助于碰撞載荷的傳遞。另外，在縱梁延長梁后端與中央通道加強(qiáng)梁后端再添加一搭接件，這樣，前地板各梁就形成“口字形”結(jié)構(gòu)，減輕了地板褶皺程度。

圖12　電動汽車前地板優(yōu)化前、后對比（仰視圖）結(jié)果

5　優(yōu)化后仿真結(jié)果分析

5.1中央通道變形情況分析

圖13為優(yōu)化前、后電動汽車中央通道變形情況對比結(jié)果。由圖13可看出，優(yōu)化后座椅橫梁前端的中央通道變形明顯減小，前座椅橫梁下沉趨勢得到明顯改善。

5.2地板變形情況分析

圖14為優(yōu)化前、后駕駛員側(cè)地板變形情況對比結(jié)果。由圖14可看出，優(yōu)化后門檻加強(qiáng)梁與縱梁延長梁之間的搭接件無明顯變形；駕駛員側(cè)地板褶皺現(xiàn)象基本消除；縱梁延長梁的末端與動力電池之間還有很大間隙，表明該優(yōu)化方案有效地保證了動力電池自身的安全性。

圖13　優(yōu)化前、后電動汽車中央通道變形情況對比結(jié)果

圖14　優(yōu)化前、后駕駛員側(cè)地板變形情況對比結(jié)果

6　實車驗證

在此優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，對電動汽車進(jìn)行了正面碰撞實車驗證試驗。圖15為正面碰撞后左右B柱加速度的仿真與試驗結(jié)果對比。由圖15可看出，仿真與試驗的B柱加速度曲線吻合較好，表明仿真模型的準(zhǔn)確性較高。圖16為正面碰撞后駕駛員側(cè)地板變形的仿真與試驗結(jié)果對比。由圖16a可看出，門檻加強(qiáng)梁與縱梁延長梁之間的搭接件無明顯變形，地板未發(fā)生明顯褶皺，縱梁延長梁的末端也未接觸到電池，表明該優(yōu)化方案是可行的。

圖15　正面碰撞后左、右B柱加速度的仿真與試驗結(jié)果對比

圖16　正面碰撞后駕駛員側(cè)地板變形的仿真與試驗結(jié)果對比

7　結(jié)束語

本文以某電動汽車為研究對象，按照C-NCAP要求建立了正面碰撞有限元模型，并對該電動汽車進(jìn)行了正面碰撞仿真分析。針對該電動汽車出現(xiàn)的中央通道彎折嚴(yán)重、前地板變形過大而導(dǎo)致的電池安全性問題，分別從碰撞載荷的傳遞方式和車身地板的變形情況分析了該問題產(chǎn)生的原因并對車身結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案。優(yōu)化結(jié)果表明，該優(yōu)化方案提高了中央通道的抗彎能力，前地板變形趨勢與原始方案相比明顯減弱，電池的安全性能大大提高。最終以該優(yōu)化方案為基礎(chǔ)對該電動汽車進(jìn)行了正面碰撞驗證試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗證了該優(yōu)化方案是可行的。

1裴永勝，張振宇，鄧國紅，等.某乘用車正面碰撞性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2013，27 （4）：18～21.

2蘭風(fēng)崇，鐘陽，莊良飄.基于自適應(yīng)響應(yīng)面法的車身前部吸能部件優(yōu)化.汽車工程，2010，32（5）：1404～408.

3鄭福滎，劉燕霞，呂浩.轎車碰撞安全性的評價及車身碰撞安全性設(shè)計.汽車技術(shù)，2006（4）：12～17.

4劉釗，朱平，俞明，盧家海.基于正面力傳遞路徑的轎車車身結(jié)構(gòu)耐撞性.汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2011，2（2）：317～322.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

Frontal Impact Safety Performance Analysis and Structure Optimization of Electric Vehicle

Wang Jin1，Qiao Xin1，Dong Haocun2，Liang Yu1
（1.Brilliance Auto R&D Center，Shenyang 110114；2.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159）

The finite element model of vehicle frontal impact was built in accordance with China New Car Assessment Program（C-NCAP）for investigation the safety performance of electric vehicle body structure，and frontal impact simulation analysis was made to this electric vehicle.For the serious bending of central tunnel and excessive large front floor deformation，which led to safety problem of battery，cause of this problem was analyzed from the transmission mode of frontal impact load transfer and the body deformation of，and an optimized solution was proposed.The optimization showed that this solution improved the bending capability of the central tunnel，the bending trend at the front floor weakened，and safety performance of battery was improved.Feasibility of this optimization was verified with vehicle test.

Electric vehicle,Frontal impact,Safety performance,Structure optimization

U461.91

A

1000-3703（2016）09-0031-05