純電動汽車的前艙結構設計優化

曾軍亮

（201114 上海市 華人運通（江蘇）技術有限公司上海分公司）

0 引言

純電動汽車的安全性和舒適性已成為影響消費者選擇的重要因素[1]。在車輛碰撞事故中，正面碰撞的型式分為正面100%重疊剛性壁障碰撞、40%重疊可變形壁障碰撞和25%重疊剛性壁障碰撞，這三種碰撞均對車身結構和乘員生命安全有一定影響[2]。汽車前艙結構對正面碰撞的影響較大，設計汽車前艙結構時應首先考慮汽車的結構耐撞性[3]。本文對某車型的前艙結構進行設計，并進行100%重疊剛性壁障碰撞工況分析，從吸能效率、縱梁壓潰狀態、乘員艙侵入量、B 柱加速度等方面進行評估，驗證前艙結構設計的有效性。

1 前艙結構設計

1.1 前艙結構設計

前艙位于汽車前部，為整車的動力系統、冷卻系統、空調系統等提供安裝空間，并具有吸收和傳遞碰撞能量的功能[4]。將汽車前艙分為潰縮和非潰縮2 個區域，如圖1 所示。潰縮區域的設計策略是使結構最大限度地吸收能量，可采取的措施是增大吸能盒截面，增加料厚，采用多邊形結構等。非潰縮區域的設計策略是保持前艙后端結構穩定，保護高低壓電器件，如IPEU、保險絲盒、蓄電池，高壓線束等，保護高低壓電安全。

圖1 前艙區域劃分Fig.1 Area division of front cabin

1.2 吸能盒和防撞梁設計

吸能盒位于防撞梁和縱梁之間，碰撞時壓潰變形吸收能量。防撞梁吸收部分沖擊力并傳遞至吸能盒，再由吸能盒傳遞至縱梁[5]。防撞梁采用高強鋼設計，由內外板組成，內外板之間通過點焊連接。內板材料牌號為CR780T/420Y，料厚為1.4 mm，外板材料牌號為CR980T/700Y，料厚為1.6 mm。防撞梁結構如圖2所示，中間位置的截面形狀為“B”字型，截面尺寸如圖3 所示。吸能盒采用擠壓鋁型材設計，材質為6063，料厚為2.2 mm，結構如圖4 所示。截面形狀為“日”字型，截面尺寸如圖5所示。防撞梁和吸能盒組成一個小子系統，通過螺栓連接，結構如圖6 所示。在碰撞過程中，吸能盒或防撞梁受到損壞，重新換一套件即可。換件只涉及到吸能盒和防撞梁，不涉及縱梁，能夠節約成本，“耐撞性和維修經濟型”測試可以獲得“良好”評價。

圖2 防撞梁結構Fig.2 Structure of anti-collision beam

圖3 防撞梁截面尺寸Fig.3 Section size of anti-collision beam

圖4 吸能盒結構Fig.4 Structure of energy-absorbing box

圖5 吸能盒截面尺寸Fig.5 Section size of energy-absorbing box

圖6 吸能盒和防撞梁連接Fig.6 Connection between energy-absorbing box and anti-collision beam

1.3 前縱梁設計

前縱梁是汽車的重要承載部件，汽車碰撞過程中前縱梁是主要的吸能部件[6]。前縱梁采用高強擠壓鋁型材設計，材質為6063，外框料厚2.6 mm，橫筋料厚為2.2 mm，截面形狀為“目”字型，截面尺寸如圖7 所示。

圖7 前縱梁截面尺寸Fig.7 Section size of front rail

1.4 前臂梁設計

前臂梁結構既是傳力結構又是吸能結構，可有效提高潰縮區吸收的能量，結構如圖8 所示。前臂梁長度從縱梁前端延伸至H 柱，將載荷傳遞到H 柱上端，降低H 柱下端的載荷。

圖8 前臂梁結構Fig.8 Structure of forearm beam

1.5 三電橫梁設計

三電橫梁布置在非潰縮區域，主要集成前艙的高低壓電元器件。三電橫梁采用”井”字框設計，由鑄鋁件和擠壓鋁件組成，材質為鋁合金，結構如圖9 所示。鋁合金密度小，較傳統的鋼制三電橫梁結構質量減少約1/3，滿足輕量化需求。

圖9 三電橫梁結構Fig.9 Structure of three electric beam

2 有限元仿真模型的建立

有限元分析法貫穿于整個汽車開發過程中，能有效縮短研發周期、降低試驗數量和成本，并能快速迭代，發現設計中潛在的問題，提升新車型的研發效率[7]。為了對整車正面100%重疊剛性壁障碰撞工況進行分析，需建立整車有限元模型。模型建立和性能分析的步驟為：（1）將模型導入ANSA，進行幾何清理；（2）抽中面，劃分網格；（3）檢查網格質量，消除干涉穿透等；（4）賦材料屬性；（5）建立連接；（6）設置邊界條件；（7）提交軟件計算；（8）分析優化。

正面100%重疊剛性壁障碰撞工況的速度為50 km/h，整車質量為2 860 kg。汽車碰撞過程中，遵守能量守恒定律，動能會轉化成內能，動能減小，內能增大。碰撞過程中會產生沙漏能，沙漏能不能超過總能量的5%[8]。有限元模型的能量變化曲線如圖10 所示。總能量基本不變，動能逐漸減小，內能逐漸增大，沙漏能未超過總能量的5%，認為模型準確，可以用于下一步分析。

圖10 能量變化曲線Fig.10 Curve of energy change

3 仿真結果分析

3.1 前端吸能分析

整個碰撞過程中總內能為275 kJ。吸能盒、前縱梁和前臂梁能量吸收和吸能占比如表1所示。吸能盒、前縱梁和前臂梁吸收能量之和占總能量的43.7%。

表1 吸能盒、縱梁和前臂梁吸能占比Tab.1 Ratio of energy absorption for energy-absorbing box,front rail and forearm beam

3.2 車身結構變形分析

仿真結果如圖11 所示，吸能盒和前縱梁呈軸向壓潰狀態，滿足設計需求。門框和乘員艙保持完整，H 柱和A 柱變形較小，不影響門的開啟和關閉。碰撞發生時，乘員艙需有足夠的生存空間，即乘員艙的變形應在合理范圍內。Dash 的動態侵入量為62.8 mm，如圖12 所示。Dash 的動態侵入量小于100 mm，滿足C-NCAP 五星安全標準。

圖11 前縱梁壓潰狀態Fig.11 Crushing condition of front rail

圖12 Dash 變形圖Fig.12 Deformation of Dash

3.3 B 柱加速度

左右B 柱下端安裝有傳感器裝置，故一般以B柱加速度作為評價乘員受到的加速度，加速度越大，整車受的沖擊就越大，乘員受損程度越高。B 柱加速度曲線如圖13 所示，其中有效加速度為20g，加速度峰值為32.6g，小于35g，滿足目標要求。

圖13 B 柱加速度Fig.13 Acceleration of B-pillar

4 結論

從前艙設計策略出發，詳細設計了吸能盒、防撞梁、前縱梁、前臂梁和三電橫梁結構。進行了正面100%重疊剛性壁障碰撞工況分析，吸能盒和縱梁呈軸向壓潰狀態。吸能盒吸收了10.2%的能量，前縱梁吸收了31.2%的能量，前臂梁吸收了6.2%的能量，吸能盒、前縱梁和前臂梁吸收能量之和占總能量的43.7%，滿足設計要求。Dash 動態侵入量為62.8 mm，B 柱有效加速度為20g，最大加速度為32.6g，乘員艙保持完整，A 柱和H 柱結構變形較小，均滿足性能要求，驗證了前艙結構的有效性。得到以下結論：

（1）在前艙前段增加吸能盒、縱梁和前臂梁結構，提高整車的吸能效率；（2）在前艙后段增加三電橫梁結構，集成高低壓電元器件，保護高低壓電安全；（3）高效的前艙結構，碰撞發生時能保持乘員艙結構完整，減小乘員艙變形，降低B柱加速度，保護乘客安全。