基于仿真的某電動商用車改型方案后碰變形設(shè)計優(yōu)化

摘" 要：乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求（標(biāo)準(zhǔn)草案）[1]相對現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)GB20072-2006[2]，對車輛后碰撞性能要求更加嚴(yán)格。本文根據(jù)該強制性標(biāo)準(zhǔn)（草案），利用有限元分析方法，分析了某電動商用車改型案例的燃油系統(tǒng)安全性，并提出解決方案。

關(guān)鍵詞：燃油系統(tǒng)安全；后碰安全；有限元分析

中圖分類號：U462" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0070-05

Optimization of Rear Impact Deformation Design for a Modified Electric Commercial Vehicle Based on Simulation

MI Shi-sheng， WEI Cheng， PENG He-piao

（ Liuzhou Wuling New Energy Automobile Co. LTD， Liuzhou 545007， China）

Abstract： The safety requirements for rear collision fuel systems of passenger cars （draft standard）[1]" are more stringent than the current standard GB20072-2006[2] in terms of vehicle rear collision performance requirements.In this paper，the fuel system safety of a modified development case of an electric commercial vehicle has been analyzed by using finite element analysis method based on the mandatory standard （draft）， and the solution has been proposed.

Key Words： Fuel System Safety；Rear end Impact；FEA Analysis

1" " 前言

為提升某電動商用車在城市道路工況有更長的純電續(xù)駛里程，滿足一周充電一次，每天上下班以純電模式往返20km的行駛要求。解決方案是增加車輛動力電池的電量，從10.6kw.h增加到22kw.h，續(xù)駛里程從43km增加到120km，由此動力電池重量增加了110kg。電池加大后，布置空間要求燃油箱后移并重新設(shè)計，同時加大后懸吸能空間。

因燃油箱占用原車備胎位置，備胎布置需要重新考慮，相應(yīng)的排氣管的走向也做局部的調(diào)整。由于設(shè)計方案燃油箱后移，需要校核后碰是否滿足法規(guī)要求（標(biāo)準(zhǔn)草案）。

43km純電續(xù)航車型的底盤布置如圖1所示，120km純電續(xù)航車型的底盤布置如圖2所示。

2" " 后面碰撞模型建模

模型由白車身、開閉件、內(nèi)飾、底盤、動力系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電池總成等組成，建立的各個分總成的有限元模型總裝配如圖3所示。

結(jié)構(gòu)單元主要采用四節(jié)點殼單元，占比95%以上，控制三角形單元數(shù)量在5%以下。四節(jié)點殼單元采用Belyschko-Tsai一點積分單元算法，采用沙漏控制算法抑制沙漏變形模式，并關(guān)注整個沙漏能不大于5%；單元邊長平均為5mm，建模時控制最小單元尺寸不小于2mm。單元尺寸太小，時間步長將較小，導(dǎo)致整體計算時間過長。

焊點用實體單元模擬， 塞焊與縫焊用Rigid bady單元模擬。

總裝螺栓采用剛性片模擬，車門鉸鏈、發(fā)罩鉸鏈用轉(zhuǎn)動鉸（Revolute）模擬。

前排駕駛員側(cè)放置一個Hybrid III型50百分位假人，分析模型假人采用Beam單元模擬，配重75kg。

43km純電續(xù)航車型模型配重至設(shè)計整車整備質(zhì)量1600kg。

120km純電續(xù)航車型模型配重至設(shè)計整車整備質(zhì)量1710kg。

車輛靜置在地面上，地面用rigid walls模擬，摩擦系數(shù)gt;0.5。

在乘用車后碰撞安全要求（標(biāo)準(zhǔn)草案）中，模擬臺車總質(zhì)量由（1100±20）kg增加至（1400±20）kg，以速度為（50±2）km/h的初速度從尾部撞擊車輛，整體加載重力加速度，如圖4所示：

3" " 結(jié)果分析

3.1" "43km純電續(xù)航車型結(jié)果分析

從圖1上看，燃油箱距離后保險杠較遠(yuǎn)，根據(jù)乘用車后碰撞安全要求（標(biāo)準(zhǔn)草案），評估整車結(jié)構(gòu)可行性，確認(rèn)燃油箱有沒有變形擠壓風(fēng)險。

計算結(jié)果在采信之前先進(jìn)行能量曲線的評估，從圖5～6所示的動能、內(nèi)能、沙漏能、界面能、總能量曲線可知，模型總能量曲線平穩(wěn)，模型能量基本守恒。總能是118000J，沙漏能最大值是392J，沙漏能約占總能的0.3%，小于5%，增加的計算質(zhì)量（因為設(shè)置了最小時間步長，個別單元如果計算出的時間步長小于設(shè)置的時間步長則自動增加單元質(zhì)量以達(dá)到設(shè)置的最小時間步長）為47.29kg，為整備質(zhì)量的2.95%，其結(jié)果小于5%，計算結(jié)果是可信的。

碰撞后，車輛尾部正常壓潰變形，燃油箱及油管布置區(qū)域基本不變形，燃油箱未受到尖銳物擠壓，燃油箱最大應(yīng)變?yōu)?.034lt;0.2，碰撞后不會開裂，滿足乘用車后碰撞安全要求（標(biāo)準(zhǔn)草案）。車身變形如圖7，燃油箱應(yīng)變?nèi)鐖D8：

3.2" "120km純電續(xù)航車型原始模型及后碰結(jié)果分析

從圖2上看，120km續(xù)航車型燃油箱距離后保險杠較近，對后地板區(qū)域進(jìn)行重新設(shè)計，后大梁向后延伸200mm，增加吸能盒及防撞桿，如圖a為43km續(xù)航車型后地板設(shè)計，圖b為120km續(xù)航車型后地板設(shè)計。

根據(jù)乘用車后碰撞安全要求（標(biāo)準(zhǔn)草案）要求，評估整車結(jié)構(gòu)可行性，確認(rèn)燃油箱有沒有變形擠壓風(fēng)險。

能量曲線評估，由圖10～11所示的動能、內(nèi)能、沙漏能、界面能、總能量曲線可知，模型總能量曲線平穩(wěn)，模型能量基本守恒，總能是135074J（是43km續(xù)航車型能量的1.15倍），沙漏能最大值是288.3J，沙漏能約占總能的0.21%，小于5%，增加的計算質(zhì)量為47.2kg，為整備質(zhì)量的2.7%，其結(jié)果小于5%，計算結(jié)果是可信的。

碰撞后，后大梁末端壓潰變形較大，燃油箱前后安裝支架之間大梁有折彎，燃油箱安裝支架及后保險杠擠壓到燃油箱，不滿足乘用車后碰撞安全（標(biāo)準(zhǔn)草案）要求；燃油箱最大應(yīng)變0.13。車身變形如圖12，燃油箱應(yīng)變?nèi)鐖D13。

3.3" "120km純電續(xù)航車型優(yōu)化方案及后碰結(jié)果分析

乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求標(biāo)準(zhǔn)主要檢驗乘用車后部發(fā)生碰撞時燃油系統(tǒng)的安全性能，避免由于燃油箱或燃油管路泄漏導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。在設(shè)計過程中，應(yīng)充分利用后縱梁的變形吸收碰撞能量，同時要保證燃油箱及其管路周圍車身結(jié)構(gòu)的完整性，避免燃油箱及燃油管路發(fā)生塑性變形以及受到周邊尖銳物的扎刺[3]。楊志剛等在《乘用車后碰安全模擬與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究》[4]一文中研究了車體后部結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，指出后碰過程中，碰撞能量的吸收主要依賴于后縱梁尾部的永久變形，因此后縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了至關(guān)重要的作用。設(shè)計時將涉及到后碰安全的車體結(jié)構(gòu)大致分為了3個區(qū)域，依次為①吸能緩沖區(qū)②變形過渡區(qū)③油箱周圍結(jié)構(gòu)區(qū)。其中吸能緩沖區(qū)包含后縱梁尾部以及后保險杠防撞 梁和吸能盒等主要碰撞能量吸收裝置，應(yīng)適當(dāng)設(shè)計該區(qū)域，通過其結(jié)構(gòu)永久變形來耗散足夠多的碰撞能量；變形過渡區(qū)集中了后橋、后懸置等一些底盤部件，縱梁結(jié)構(gòu)在這里由平直轉(zhuǎn)而向下過渡，局部結(jié)構(gòu)強度偏弱，一般應(yīng)設(shè)計縱梁加強件給予支持，防止產(chǎn)生大變形；燃油箱周圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計則應(yīng)滿足一定的強度要求以保持碰撞后的完整性，必要時可以通過設(shè)計加強件來提高。施先華等在《某微型乘用車后面碰撞結(jié)構(gòu)安全優(yōu)化設(shè)計》[5]一文中也有類似的研究結(jié)論。指出乘用車受到后面碰撞過程中，碰撞能量的吸收主要依靠車身后橫梁及后地板左右縱梁的變形。與正面碰撞相似，涉及后面碰撞安全的車身結(jié)構(gòu)也可以劃分為3個區(qū)域，即潰縮吸能區(qū)、變形過渡區(qū)和剛性區(qū)域。其中：剛性區(qū)域主要包含燃油箱周圍結(jié)構(gòu)及乘員艙空間，是后面碰撞中車身結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)；潰縮吸能區(qū)主要包含后保險杠橫梁、吸能梁和后地板左右縱梁后部結(jié)構(gòu)，該區(qū)域和變形過渡區(qū)域是后面碰撞中能量吸收和分配的重點關(guān)注區(qū)。

因此優(yōu)化方案的重點放在后縱梁的加強設(shè)計及燃油箱及管路周邊區(qū)域剛度的加強設(shè)計，具體優(yōu)化方案見圖14和表1。

能量曲線評估，由圖15～16所示的動能、內(nèi)能、沙漏能、界面能、總能量曲線可知，模型總能量曲線平穩(wěn)，模型能量基本守恒，總能是135096J（是43km續(xù)航車型能量的1.15倍，與初始方案總能量大小接近），沙漏能最大值是283.3J，沙漏能約占總能的0.21%，小于5%，增加的計算質(zhì)量為47.2kg，為整備質(zhì)量的2.7%，其結(jié)果小于5%，計算結(jié)果是可信的。

優(yōu)化方案的后大梁末端變形明顯減小，燃油箱未受到后保險杠擠壓，燃油箱最大應(yīng)變0.135，位于安裝點區(qū)域，燃油箱沒有擠壓變形風(fēng)險，優(yōu)化方案滿足乘用車后碰撞安全（標(biāo)準(zhǔn)草案）要求。車身變形如圖17所示，燃油箱應(yīng)變?nèi)鐖D18所示。

4" " 結(jié)論

本文采用CAE分析方法對43km純電續(xù)航車型底盤模型和在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的120km純電續(xù)航車型底盤模型后碰試驗進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)了改進(jìn)車型120km純電續(xù)航車型底盤存在不滿足新法規(guī)（標(biāo)準(zhǔn)草案）的問題。通過對改進(jìn)的120km純電續(xù)航車型底盤后縱梁、燃油箱及管路周邊區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度強化設(shè)計對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真分析結(jié)果表明優(yōu)化方案的后大梁末端變形明顯減小，燃油箱未受到后保險桿擠壓，滿足乘用車后碰撞安全（標(biāo)準(zhǔn)草案）要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]標(biāo)準(zhǔn)草案《乘用車后碰撞安全要求GB 20072-20220322V2》[S].

[2]GB 20072-2006，乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求標(biāo)準(zhǔn)[S]，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]GB/T 19751-2005，混合動力電動汽車安全要求[S]，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[4]楊志剛，葉平，馬美林，王大志，湯曉東。《乘用車后碰安全模擬與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究》[R]，2008中國汽車安全技術(shù)國際研討會.

[5]顏先華，施盧丹，王純，劉衛(wèi)國，周大永，潘之杰，馮擎峰。《某微型乘用車后面碰撞結(jié)構(gòu)安全優(yōu)化設(shè)計》[J]，公路與汽運，2013年11月，第6期.

專家推薦語

康" "明

東風(fēng)商用車技術(shù)中心" 工藝研究所所長

材料科學(xué)與工程研究員級高級工程師

本文采用CAE分析方法對43km純電續(xù)航車型底盤模型和在此基礎(chǔ)改進(jìn)的120km純電續(xù)航車型底盤模型后碰試驗進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)了改進(jìn)車型120km純電續(xù)航車型底盤存在不滿足新法規(guī)（標(biāo)準(zhǔn)草案）的問題。通過對改進(jìn)的120km純電續(xù)航車型底盤后縱梁、燃油箱及管路周邊區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度強化設(shè)計對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真分析結(jié)果表明優(yōu)化方案的后大梁末端變形明顯減小，燃油箱未受到后保險杠擠壓，滿足乘用車后碰撞安全（標(biāo)準(zhǔn)草案）要求。

本文設(shè)計合理，數(shù)據(jù)可靠，理論正確，具有一定的實用價值。