基于有限元分析的新能源汽車側面柱碰結構優化研究

吳磊　龐毅　潘俊潮

作者簡介：吳 磊（1988—），碩士，工程師，研究方向：汽車碰撞安全仿真設計。

摘要：文章針對側面柱碰工況特點對汽車車身結構的傳力路徑進行了分析，并以某款新能源汽車為分析對象，采用HyperWorks軟件搭建有限元仿真計算模型，對側面柱碰工況車身的主要傳力路徑上的座椅橫梁和中通道進行結構優化，使其車身侵入量和電池包的安全性能均得到明顯改善。

關鍵詞：側面柱碰;傳力路徑;新能源汽車;結構優化

中國分類號：U469.7A511874

0 引言

新能源汽車相對于傳統燃油車在動力、節能、環保、駕乘體驗、后期保養等方面具有明顯優勢，其生產工藝和效率也大大高于傳統燃油車，是汽車產業未來發展的必然趨勢，對汽車產業的整體可持續發展發揮著重要作用[1]。但是新能源汽車電池包安全性問題給新能源汽車的發展帶來了不小的困擾，特別是在發生交通事故的情況下，如何有效地保護電池包，避免出現熱失控、電路短路、電解液泄漏甚至起火爆炸等加劇事故危害程度的情況出現成為新能源汽車設計的主要關注點之一。

鑒于此，國內外的汽車評價機構也針對新能源汽車出臺了專門的評價方法，以中國新車評價規程（C-NCAP）為例，對于新能源汽車有專門的用電安全評價，如果用電安全達不到要求則不予進行星級評價。此外，在試驗工況上相對傳統燃油車也會有一些變化，最明顯的變化是在2021版C-NCAP中采用側面柱碰工況來代替傳統燃油車的可變形移動壁障側面碰撞工況，該工況對新能源汽車電池包的防護性提出了更高的要求。

1 工況介紹

1.1 法規解讀

2021版C-NCAP的側面柱碰工況參考了2015版Euro NCAP側柱碰工況[2]，主要用以模擬當汽車側面撞擊電線桿、大樹等圓柱形障礙物時的交通事故。該工況采用剛性圓柱作為壁障，其主要特點是剛度大且接觸面積小，因此，相對于可變形移動壁障側面碰撞工況，側面柱碰的車身的局部侵入量會更大，對電池包的威脅性也更高。側面柱碰工況定義如圖1所示。試驗車輛前排駕駛員位置放置一個WorldSID 50th假人，以速度32 km/h橫向撞擊半徑127 mm的剛性立柱，平行于車輛碰撞速度矢量的垂直面與車輛縱向中心線之間應形成75°±3°的碰撞角，剛性柱表面中心線應對準車輛碰撞側外表面與通過假人頭部重心垂直平面的交叉線（碰撞基準線），在與車輛運動方向垂直的平面上，距離碰撞基準線在±25 mm內[3]。

1.2 傳力路徑分析

側面柱碰工況從壁障形式到碰撞過程與可變形移動壁障側面碰撞工況均存在巨大的差異[4]，以往基于可變形移動壁障側面碰撞工況的設計經驗并不適用于側面柱碰工況。本研究根據側面柱碰的碰撞特點，篩選出主要的傳力結構件（如圖2所示），并根據其連接特點歸納了其主要傳力路徑（如圖3所示）。根據結構的承載順序分為第一承載區和第二承載區：第一承載區的主要結構有車門防撞梁、A柱上邊梁以及門檻梁;第二承載區的主要結構是B柱、A柱、頂棚后橫梁、前座椅前橫梁以及前座椅后橫梁。通過仿真計算獲得了每個結構的截面力并根據公式（1）計算出載荷比（如表1所示）：第一承載區門檻梁為主要傳力部件，承載比例達到79.4%;第二承載區主要載荷由與門檻梁相連并靠近壁障立柱的前座椅后橫梁傳遞，承載比例達到59.4%。因此，門檻梁和座椅橫梁是側面柱碰的主要承載部件，結構優化應該從這些部件著手。

2 模型搭建

根據2021版C-NCAP柱碰試驗規程，以某款新能源汽車為分析對象，采用HyperWorks軟件搭建有限元仿真計算模型，主要包含車身系統、剛性立柱、電池包系統等。

2.1 車身系統

車身系統包含白車身、車身開閉件、底盤系統以及座椅子系統，采用shell單元模擬車身系統的鈑金結構，采用直徑為6 mm的實體單元通過接觸的方式模擬點焊連接，剛性rigid單元模擬車身系統的二氧化碳保護焊、塞焊，constrained rigid bodies模擬螺栓連接。車身系統利用single surface（自接觸）實現車身系統內部的傳力[5]。

2.2 剛性立柱

剛性立柱采用shell單元建模，通過賦予mat20材料使立柱“剛化”，約束立柱6個方向自由度使其固定，采用surface to surface 使立柱與車身側圍結構進行接觸傳力。

2.3 電池包

電池包作為此次分析的主要關注點，需要進行詳細建模，主要包含電池模組、電池包托架、電池包上蓋、主繼電器、高壓線以及冷卻管路等結構。通過自接觸將電池模組固定于電池包內，電池包通過托架上的安裝支架與車身連接。電池包模型如圖4[6]所示。

3 結果分析及優化

3.1 基礎狀態結果分析

對基礎狀態下的計算結果進行分析：測量B柱內板、前門鈑金內板的最大侵入量以及車門侵入速度并與設計目標進行對比，評估碰撞對司機的傷害風險。此外，針對新能源汽車電池包的安全性，測量立柱對蓄電池侵入量以及電池包加速度。基礎狀態計算結果如表2所示。

基礎狀態下B柱內板和前門鈑金內板侵入量均超過目標值，存在對司機造成傷害的風險。同時，立柱擠壓電池包導致電池包托架變形達到15 mm，由于立柱撞擊電池包還導致了電池包加速度達到42.5 g超過目標值，存在導致電池包內部搭接松脫甚至短路等風險[7-9]。通過分析計算結果的變形模式發現：作為柱碰第二承載區最主要傳力路徑的前座椅后橫梁出現嚴重的折彎變形，且座椅橫梁與中通道搭接處由于剛度不足而變形過大（如圖5所示），由此導致了車身變形過大，各項侵入指標超標的現象。同時，座椅橫梁向下折彎還存在擠壓電池包的風險（如圖6[10]所示），因此需要對座椅橫梁進行加強。

3.2 優化方案

根據基礎狀態結果分析所暴露的問題，對前座椅后橫梁以及中通道進行結構優化[10]。

3.2.1 座椅橫梁結構優化

為了改善座椅橫梁的折彎變形，提高座椅橫梁的抗彎性能，在座椅橫梁內部增加長度為425 mm、材料為780DP厚度的1.5 mm加強板。加強板的長度必須覆蓋座椅左右安裝支座（如圖7所示）。

3.2.2 中通道結構優化

基礎狀態的中通道凸起于地板上，而座椅橫梁騎跨于中通道之上。由于中通道為1.2 mm厚的鈑金件，其對于座椅橫梁的支撐剛度有限，難以有效地將碰撞載荷由車身的左側傳遞至右側，由此導致該區域局部變形較大。優化方案是將前座椅后橫梁以后部分的中通道由平地板代替并將左右座椅橫梁改成等截面貫通梁。該方案不僅優化了柱碰時載荷傳遞路徑，還能夠使車身減重0.51 kg。具體如圖8、圖9所示。

3.3 優化結果

分析優化方案結果的變形模式：通過結構優化，前座椅后橫梁處的折彎變形得到明顯改善，未向下擠壓到電池包（如圖10所示），車身側圍對電池包起到有效的防護，在碰撞過程中立柱未撞擊到電池包。同時，立柱對車身的侵入量減少，各項考核指標均滿足設計要求，具體如表2所示。

4.結語

本研究從車身結構的傳力路徑出發，對2021版C-NCAP側面柱碰工況下車身的主要傳力路徑上的座椅橫梁和中通道進行結構優化，通過加強座椅橫梁和優化中通道與座椅橫梁的搭接形式，使整車柱碰性能得到顯著改善：

（1）消除了前座椅后橫梁折彎變形，從而避免了橫梁向下折彎擠壓電池包。

（2）降低了車身變形量，使B柱內板、前門內板的侵入量均達到設計目標要求，從而降低了對司機的傷害風險。

（3）避免了立柱撞擊電池包，同時降低了電池包的加速度，從而提高了電池包的碰撞安全性。

參考文獻：

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