某純電動汽車前保防撞梁設計

賈安祥　吳懷華　王平亮　王書

摘 要：隨著純電動汽車的飛速發展，純電動汽車的整車輕量化和安全問題亟待解決。為了滿足新能汽車日益增長的使用要求和高速純電動汽車安全性能，本文提出一種新材料汽車前保防撞梁的設計結構。為了滿足整車的碰撞性能以及輕量化要求，通過材料選擇、拓撲優化、仿真分析，優化防撞梁的數據，提高了防撞梁的碰撞功能和輕量化。正碰試驗結果表明該結構設計的防撞梁滿足純電動汽車碰撞安全使用要求。

關鍵詞：純電動汽車；輕量化；防撞梁；碰撞安全；仿真優化

1 引言

隨著汽車保有量的不斷增長，尾氣排放日益侵蝕人類的生存環境，溫室效應和霧霾無時無刻不在威脅著地球人的生存空間[1]。為應對全球氣候問題，傳統汽車強國除制定了更為嚴格的排放標準外，以中國、德國、日本和美國為主的汽車大國都在積極開發新型能源車輛，以期待排放更低，甚至是零排放；并且都根據各自國家的工業發展情況為促進新能源汽車產業的發展制定了相關的扶持性政策[2]。研究表明，汽車輕量化是影響新能源純電動汽車的能量利用率和續航里程的關鍵因素，同時也應保證整車安全性能不低于傳統燃油汽車。據統計我國汽車正面碰撞事故約占事故總數的32%，是導致事故死亡人數最多的原因[3]。因此，在保證輕量化的前提下新能源汽車正面碰撞安全性能問題至關重要。

目前國內對新材料汽車輕量化與碰撞安全的研究還處于起步階段，取得的研究成果較少，汽車碰撞的研究成果主要集中在燃油汽車。不論何種類型何種動力的車輛，車輛碰撞安全是必須要保證的。汽車前保防撞梁總成是汽車車身的重要組成部分，是汽車碰撞（正碰、偏置碰）安全重要的受力吸能部件和結構；汽車前保防撞梁總成材料選擇和結構設計的好壞直接影響汽車碰撞對乘員的安全保護能力，是汽車車身不可或缺的關鍵零部件[4]。為滿足新能源汽車整車安全性以及輕量化要求，本文提出了一種新型的輕量化汽車前保防撞梁總成結構，并對其進行仿真碰撞驗證其安全性能。

2 純電動汽車前保防撞梁總成設計方案

2.1 傳統燃油車前保防撞梁總成

傳統燃油車或在燃油車基礎改動開發的新能源汽車的前保防撞橫梁結構如圖1所示。前保防撞梁多用鋼板，采用沖壓成型焊接成封閉斷面零部件，然后與吸能盒焊接成總成與前艙縱梁安裝形成車輛碰撞安全的變形、吸能、承力的核心部件。

傳統鋼板結構件能很好的完成車輛碰撞安全，但總成零部件重量數量多，如圖1中前保橫梁總成分別有3個子總成16個零部件和7個零部件；需要開發不同數量模具和工裝，開發費用成本高，重量比較重近4Kg，有較大的優化空間。

2.2 新材料前保防撞橫梁結構

本文設計的新材料前保防撞橫梁結構將應用在輕量化純電動汽車上。純電動車的動力電池巧妙的布置在平地板下部，車身與電池包一體化設計結構能確保電池包系統的防護安全。電動車為后置后驅，前艙區域比較寬裕，有較好的緩沖空間。前保橫梁總成采用鋁型材擠壓成型，左右兩個吸能盒鋁型材采用同一口型斷面機加成零部件，左右通用；安裝板采用5052鋁板件，結構和零部件詳細構成如圖2所示。

汽車前保防撞梁總成是正碰安全的重要核心部件之一。采用用ANSYS軟件搭建前保橫梁總成的仿真模型，根據國家正碰標準試驗環境，速度為50km/h，壁障類型為剛性墻，碰撞角取電動車縱軸0°，碰撞仿真模型如圖3所示。

根據國標試驗條件進行CAE仿真分析得到如下分析結果。

由機艙變形圖可以看出，機艙整體變形量不大，呈現出剛體的特征，前機艙結構不穩定，縱梁吸能不足。通過上述分析結果得出左側B柱下端加速度與右側B柱下端加速度都非常大，而且B柱下端加速度最大值達到60.2g，這表明車身在正碰過程中變形很大。

為了使碰撞安全性能更優化，建議結構增加吸能盒長度30mm，前保橫梁總成吸能更充分，延長加速度達到最大值的時間，同時也會降低最大加速度值。前保防撞橫梁由封閉斷面更改為開口斷面，材料厚度由2.0mm調整為1.8mm，前保防撞橫梁總成重量由2.82kg變成2.05Kg，較之前的減輕0.77Kg，是傳統材料前保橫梁總成重量的一半。優化后的前保橫梁結構和零部件詳細構成如圖5所示。

根據修改的前保橫梁總成數模，優化仿真模型調試網格到穩定狀態，進行CAE分析，分析情況如圖6所示。

由上圖分析可得：前保防撞梁總成變形合理，吸能充分，前縱梁前部參與變形，后部狀態穩定；正面碰撞過程中，整車加速度峰值53.3g小于目標值55g，達到設計要求；前保防撞梁總成設計結構合理，輕量化成果明顯。

5 結語

根據整車輕量化的要求，前保防撞橫梁總成采用的新材料和新的結構形式，通過CAE碰撞安全分析優化，輕量化的前保防撞梁總成設計結構合理，碰撞過程前保橫梁總成變形模式理想，吸能充分，整車加速度峰值小于目標值55g，達到設計要求。優化后設計的前保防撞橫梁總成相對自身減重0.77Kg，較傳統材料前保橫梁減重約50%；零部件只有5個，且部件簡單容易成型，節省了模具和工裝費用，是一次非常成功的輕量化新材料的結構設計和應用。

參考文獻：

[1]張凱. 西安市機動車尾氣污染控制研究[D]. 長安大學，2014.

[2]李黎.中國汽車產業國際競爭力研究[D]. 吉林大學，2012.

[3]王傳青.白車身前端結構—材料—性能一體化輕量化多目標協同優化設計[D].2016.

[4] 陳緒.前保總成結構在轎車前碰撞中的耐撞性優化研究[D]. 湖南大學，2012.