汽車雙電機布置碰撞CAE分析與校核

江鈴汽車股份有限公司 姚賢濤 徐莉 鄭方強 鄭欣 羅倩

本文從汽車碰撞車身結構耐撞性角度出發,針對江鈴某車型四種雙電機布置方案,分別進行了耐撞性CAE分析與計算,評估了不同雙電機布置方案對汽車正面碰撞的影響。通過提取關鍵考察指標結果對比發現,電機布置在發動機前端靠后區域內,對碰撞結果更加有利,其乘員艙侵入量比其他三種減少了15%以上。該分析方法與選型原則可應用到汽車發動機艙內其他剛性部件的布置參考。

0 引言

汽車的被動安全性能研究,車身結構的耐撞性[1]仍然是最重要的基石,車身結構是汽車的骨架,承載了行駛工況和碰撞工況的絕大部分載荷。汽車發生正面碰撞時,為了減少乘員艙內的侵入和傷害,希望發動機艙內的有效空間越大越好[2],但受限于前懸長度的要求,其空間又不能太大。因此,在一定的有效碰撞空間內,剛性部件的布置方式極大地影響了碰撞結果。其原因是,剛性部件在碰撞過程中被視為不可壓縮部分,當碰撞載荷傳遞到該區域內,不僅其自身無法變形吸收能量,而且在X向占據了一定空間阻礙了該區域內車身縱梁[3]結構的潰縮變形。另外,這些剛性部件的連接支架可能會搭載在發動機懸置安裝支架上,這就會影響到懸置安裝支架在碰撞時的變形或斷裂模式[4],進而使得設計人員無法準確地控制該區域內的斷裂釋放載荷設計,導致傳遞至乘員艙內的沖擊慣性較大對乘員損傷造成嚴重后果。

本文的研究對象雙電機布置,恰恰是安裝發動機艙內的一個較大剛性部件。因此,該電機的布置選型對汽車正面碰撞的影響至關重要。

1 雙電機布置方案

本文所研究的內容包驅動兩套動力系統共四個雙電機布置方案。為了方便描述與橫向對比,現對四種方案結合圖1的示意,做以下說明:

圖1 四種雙電機布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of four kinds of dual motors layout

圖1 課程思政教育目標Fig.1 Teaching purpose of ideological and political thoughts in a course

方案A:雙電機兩端均安裝在汽油機殼體上;

方案B:雙電機一端安裝在汽油機殼體上,另一端安裝在懸置支架上;

方案C:雙電機兩端均安裝在柴油機殼體上;

方案D:雙電機一端安裝在柴油機殼體上,另一端安裝在懸置支架上。

在如前言所述,雙電機布置在發動機艙內后,整個發動機系統X向的剛性空間距離,是影響車身縱梁結構耐撞性的重要因素,本文首先從CAD數據上,對四種方案的X向剛性空間做了詳細對比,其結果如表1所示。

由表1可得知,就X向剛性空間而言,方案B的布置對碰撞最為不利,其原因是布置了雙電機之前,占用了更多的X向可壓縮空間,可能會導致在發生正面高速碰撞時,縱梁的軸向壓潰不充分,從而減小車身變形帶來的吸能量。另一方面,我們還需要考慮電機布置在懸置支架上的影響,因為對高速碰撞來說,由于沖擊力量較大,懸置支架非常容易斷裂,此時,電機安裝在懸置支架上無形之中增加了支架的強度,其可能產生的結果是,高速碰撞懸置支架不斷裂或者部分斷裂,高速沖擊載荷無法通過懸置支架斷裂卸載,傳遞至車身上的能量則會更多,導致車輛加速度上升,對乘員艙的人體保護十分不利。

表1 四種方案的X向空間對比Tab.1 X-space comparison of the four schemes

2 雙電機碰撞CAE分析

雙電機剛性部件對汽車碰撞的影響涉及到多個工況,本文綜合考慮了國標所規定的正面碰撞工況(50kmph FRB)和正面偏置碰撞工況(64kmph ODB)、CNCAP所規定的正面對撞工況(50kmph MPDB),工況介紹可參考Safety Companion[5],如表2所示。

表2 雙電機布置方案碰撞CAE分析矩陣Tab.2 Collision CAE analysis matrix for dual-motor layout

基于以上碰撞CAE分析矩陣,為了保證橫向對比的準確性,本文統一使用求解軟件

LS-DYNA R9版本,64CPU的MPP計算模式,并規范了分析過程中的一些關鍵信息如下:

(1)整車有限元模型,除動力系統和方案本身的區域外,其他部分完全一致。

(2)CAE模型單位制,采用S2單位制,即mm-s-T。

(3)初始化定義,主要指的是整車碰撞速度和車輪初始旋轉角速度。以50kmph FRB為例,需要把整車碰撞速度50km/h單位轉化為13889mm/s,在DYNA關鍵字設置中則表示為:VX=-13889,注意檢查初始化的速度方向是否正確。

(4)模型一致性檢查,包括計算前和計算后的檢查:

計算前,檢查各個部件的材料、厚度連接關系和接觸設置,同時,可以在前處理軟件中檢查是否存在過小的時間步單元和模型的質量增加范圍,計算時間步過小會影響計算時間,質量增加范圍一般控制在不超過模型總質量的5%。

計算后,檢查能量是否守恒。能量守恒是計算結果有效性的基礎,在保證總能量守恒的前提下,應控制沙漏能與滑移應變能小于總能量5%,如果總能量不守恒,可通過查找各個部件的內能、動能及質量縮放來找出異常部件并修改至正確狀態。

本文通過4方案、3工況的矩陣式數值仿真分析,求解動力系統搭載不同雙電機后,對碰撞結果的影響,旨在從中選取出較為理想的雙電機布置方案,為其他車型布置在該區域內的零部件設計提供有效的參考依據。

3 碰撞CAE分析結果對比

3.1 右前縱梁吸能和變形模式對比

由于四種雙電機布置方案,其空間位置均位于發動機艙內的右前方,最有可能影響車身變形的區域是右前縱梁,而縱梁的潰縮吸能直接影響了碰撞結果的兩項關鍵指標:乘員艙內的侵入量和車身加速度曲線。本文通過右前縱梁的吸能量和變形模式對比,可以快速直觀地判斷四種方案的優劣性,如圖2所示。

圖2 三種工況右前縱梁吸能量對比Fig.2 Comparison of energy absorption of right front longitudinal beam in three working conditions

從以上三種工況的右前縱梁吸能量可以看出,方案B的右前縱梁在50FRB和64ODB高速碰撞工況下,其吸能量均處于最大位置,在50MPDB高速碰撞工況下吸能量也較大,換名話說,在右縱梁上的懸置支架未按照其設計意圖承擔起斷裂所載能量的作用,導致大部分能量通過右縱梁本身的變形來實現傳遞。

通過圖3、圖4、圖5的右前縱梁變形模式對比可以發現,四種電機布置方案,其右前縱梁變形差異較大,從與實際碰撞試驗結果對比來看,方案A最接近真實狀態,其根本原因是電機布置不影響懸置支架的斷裂變形,發生碰撞時,縱梁的變形與吸能量一致性較高。

圖3 50kmph FRB右前縱梁變形模式對比Fig.3 Comparison of deformation modes of 50kmph FRB right front longitudinal beam

圖4 64kmph ODB右前縱梁變形模式對比Fig.4 Comparison of deformation modes of 64kmph ODB right front longitudinal beam

圖5 50kmph MPDB右前縱梁變形模式對比Fig.5 Comparison of deformation modes of 50kmph MPDB right front longitudinal beam

3.2 碰撞關鍵考核指標對比

為了進一步分析四種方案的差異,本文從可能對乘員造成傷害的多個角度出發,整理出與之有關的碰撞關鍵考核指標,用于分析判定計算結果的優劣。以差異最大的碰撞工況50kmph FRB為例,對結果數據進行詳細解析,如表3所示。

表3 四種方案關鍵考核指標對比Tab.3 Comparison of key assessment indicators of the four schemes

3.3 燃油完整性分析結果對比

無論是國家法規還是CNCAP評價,均包含了汽車碰撞后燃油持續泄漏量不超過30g/min的要求,該項嚴控指標,反映到工程設計中,被解析為碰撞試驗后燃油系統應當保證其完整性,即:燃油箱無破損、輸油管和回油管無擠壓變形以及整個燃油系統周邊不應有尖銳物如凸出的螺釘或者金屬翻邊等。

本文所分析的碰撞CAE工況,同樣需要評價雙電機布置方案對燃油系統完成性的影響。圖6所示為50kmph FRB碰撞工況中,方案A對燃油箱及管路變形量的影響結果。

圖6 燃油系統(燃油箱及油管)完整性Fig.6 Fuel system (fuel tank and fuel pipe) integrity

無論使用哪種雙電機布置方案,均對燃油系統完整性的影響較小,其原因主要有以下兩點:(1)四種雙電機方案均布置在發動機艙右前方,離燃油系統的空間距離都較遠,碰撞時不會與燃油管路產生直接接觸更不會擠壓變形;(2)盡管雙電機布置減少了發動機艙內的碰撞空間,但從碰撞過程的動畫結果來看,整車的變形姿態中并沒有出現剛性部件或者尖銳物體對燃油管路和燃油箱造成擠壓損害。

4 結論

本文研究了四種汽車雙電機布置方案,分別從X向碰撞空間、車身變形和吸能量、燃油完整性三個角度,雙四種方案進行了詳細CAE分析和對比,可得出以下幾點結論:

(1)采用統一的前處理技術和求解器資源,是方案優劣橫向對比的前提;(2)方案B占用了最大的X向剛性空間,對碰撞結果最為不利;(3)四種布置方案中,車身吸能量最大相差15%以上;(4)方案A對乘員艙內的生存空間最大侵入量為120mm,是四種方案中最理想的分析結果,可作為設計選型中首選方案;(5)由于雙電機布置遠離燃油系統周邊,且整車變形姿態中未出現對燃油系統完整性的不利因素,四種雙電機布置方案對燃油系統完整性的影響均可忽略。

引用

[1] Liu B,Villavicencio R,Pedersen P T,et al.Analysis of structural crashworthiness of double-hull ships in collision and grounding[J].Marine Structures,2021,76(3):102898.

[2] 水野幸治.汽車碰撞安全[Z].人民交通出版社,2016.

[3] 王冠群.正面碰撞過程中的前縱梁耐撞性研究[D].長沙:湖南大學,2014.

[4] 賈尚華,邵百明,薛喜才,等.發動機懸置支架斷裂的失效分析[J].上海汽車,2019(10):50-53.

[5] Safety Companion 2020[Z].Germany:Carhs,2020:4,5,20,26,27.