電動(dòng)乘用車正面碰撞車體結(jié)構(gòu)（鋰電池）耐撞性分析

曹景濤　陳西山　張慧芳

摘要：本文結(jié)合森源重工有限公司的電動(dòng)乘用車項(xiàng)目，討論了其中某款電動(dòng)轎車在艙室布置和質(zhì)量分布方面的特點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)規(guī)劃了具有集中大質(zhì)量塊的電動(dòng)轎車的碰撞載荷路徑和正面碰撞變形區(qū)域，通過(guò)大量的CAE模擬分析，得出車身主要零部件在正面碰撞時(shí)對(duì)乘用空間的入侵量，計(jì)算結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)達(dá)到了良好正面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性能，保證了乘客的安全性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)轎車；結(jié)構(gòu)耐撞性；變形空間；入侵量

1引言

能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題促進(jìn)世界各國(guó)新能源汽車的發(fā)展，在這個(gè)大環(huán)境下，國(guó)內(nèi)各大汽車企業(yè)的積極開(kāi)發(fā)新能源汽車，其中以電動(dòng)汽車為主。森源重工有限公司自主品牌電動(dòng)乘用車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出多款電動(dòng)乘用車，本文以自主研發(fā)的某車型底盤(pán)系統(tǒng)，采用純電動(dòng)鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)、全新的車身與內(nèi)外飾，將鋰電池包布置在底盤(pán)地下部，形成全新設(shè)計(jì)的電動(dòng)乘用汽車。電動(dòng)乘用車在整車布置、動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池包、質(zhì)量分布、等方面均與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力乘用車具有有較大的差異。由于電動(dòng)乘用車的電機(jī)、電池包等大質(zhì)量塊近似于剛性體的存在，使得電動(dòng)汽車的碰撞與傳統(tǒng)汽車不同，其設(shè)計(jì)成為一個(gè)新的難點(diǎn)。本文結(jié)合森源重工電動(dòng)乘用車項(xiàng)目，針對(duì)純電動(dòng)乘用車車型小、質(zhì)量大、重心低的特點(diǎn)，以理論分析和概念設(shè)計(jì)方法，完成了正向的正面結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)，獲得了良好的結(jié)構(gòu)耐撞性能，并形成適用于類似車型的設(shè)計(jì)方法。

2正面碰撞結(jié)構(gòu)分析及有限元建模部件布置方式。

限于儲(chǔ)能要求和目前電池技術(shù)的限制，此純電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池包的體積與質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)內(nèi)燃機(jī)汽車。電動(dòng)汽車需要布置一個(gè)大質(zhì)量的儲(chǔ)能電池包，一般來(lái)說(shuō)質(zhì)量都會(huì)超過(guò)200kg，往往超過(guò)整車質(zhì)量20%，遠(yuǎn)超過(guò)內(nèi)燃機(jī)汽車油箱的重量比例和混合動(dòng)力汽車小型電池的重量比例。為充分利用車輛空間，這款電動(dòng)汽車將儲(chǔ)能電池包布置在地板以下，整車重心比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車下移。同時(shí)，由于電動(dòng)汽車沒(méi)有排氣系統(tǒng)，采用前輪驅(qū)動(dòng)沒(méi)有傳動(dòng)系統(tǒng)，所以沒(méi)有中央通道。電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)體積比內(nèi)燃機(jī)小，由于電動(dòng)機(jī)發(fā)熱降低，散熱器體積也相應(yīng)減小。而新增的PEB有較高的抗震和電磁屏蔽要求，因此需要較厚的金屬外殼，這使它質(zhì)量、體積較大，在碰撞中成為一個(gè)近似剛性體，占據(jù)了前艙上部的大量的可變形吸能空間。總體上，車輛中后部具有大集中質(zhì)量的電動(dòng)車的前碰撞變形空間非常緊張，為了獲得較好的碰撞性能，保證碰撞安全，必須充分利用前艙碰撞中緊湊的吸能空間。

此次分析采用CAE有限元軟件Hypermesh，薄壁件是乘用車車身的重要組成部分，如白車身、副車架、車身覆蓋件等。在分析之前需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于薄壁件采用殼單元模擬格劃分。劃分網(wǎng)格太大將影響模擬精度，劃分網(wǎng)格太小將大大增加計(jì)算時(shí)間。根據(jù)實(shí)際要求和經(jīng)驗(yàn)，主要吸能部件網(wǎng)格劃分較為精細(xì)，尺寸劃分為10mm×10mm。由于電池包、電動(dòng)機(jī)、減速器等近似剛體的存在，在實(shí)際碰撞中基本不發(fā)生變形，吸能也基本可以忽略不計(jì)，為簡(jiǎn)化計(jì)算可以采用剛性單元進(jìn)行模擬。此車白車身與覆蓋件連接形式主要是點(diǎn)焊和縫焊。共計(jì)劃分節(jié)點(diǎn)1652564個(gè)，單元數(shù)量1634990個(gè)。有限元模型如圖2所示。

根據(jù)GB11551-2003的要求，試驗(yàn)車輛100%重疊正面沖擊剛性壁障，碰撞速度為50km/h，試驗(yàn)速度不得低于50km/h；前在排乘用艙駕駛員和乘員位置各放置一個(gè)HybridⅢ50百分位男性假人，用以測(cè)量前排人員受傷害情況。分析過(guò)程中，根據(jù)碰撞標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)車車速設(shè)定為50Km/h，碰撞方向設(shè)定為_(kāi)X軸方向，進(jìn)行正面100%重疊剛性碰撞，碰撞能量完全由試驗(yàn)車車體吸收，計(jì)算碰撞時(shí)間100ms。

3耐撞性分析

3.1仿真結(jié)果可靠性分析

汽車碰撞過(guò)程中，由于實(shí)際試驗(yàn)的不便性，計(jì)算機(jī)模擬仿真已成為汽車碰撞安全性能設(shè)計(jì)與改進(jìn)的重要方法，保證模擬仿真結(jié)果的精確性和準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的，因此我們必須要確定分析結(jié)果的可靠性，只有準(zhǔn)確的分析結(jié)果才有參考價(jià)值。

仿真分析碰撞過(guò)程中各能量變化曲線如圖3所示，根據(jù)曲線圖分析可以看出在碰撞過(guò)程中，沙漏能、內(nèi)能、動(dòng)能、總能量變化曲線均沒(méi)有出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，碰撞過(guò)程中沙漏能（5kJ），占總能量（136kJ）的比例為3.6%，這個(gè)比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值（根據(jù)規(guī)定小于5%即可），因此可以確定此次仿真分析模型建立是準(zhǔn)確有效的，碰撞仿真結(jié)果可靠并且具有參考意義。

3.2碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性分析

3.2.1碰撞時(shí)B柱形變分析

通過(guò)分析碰撞時(shí)B柱速度、加速度、位移曲線可以直接反應(yīng)車輛碰撞時(shí)主要吸能區(qū)域的變化以及碰撞時(shí)的車輛總體形變情況。B柱對(duì)汽車發(fā)生碰撞時(shí)成員的受傷程度有著直接影響，B柱內(nèi)部的加強(qiáng)部分既不能過(guò)硬也不能過(guò)軟。因?yàn)锽柱過(guò)硬會(huì)使能量傳遞到駕駛員身上，不能使能量通過(guò)車身和變形移動(dòng)來(lái)很好的吸收能量，B柱過(guò)軟則會(huì)使其變形過(guò)大，對(duì)駕駛員造成傷害。

車輛進(jìn)行正面碰撞時(shí)，吸能盒首先被壓潰，由B柱加速度曲線可以看出，25ms時(shí)B柱加速度曲線驟降，表明此時(shí)吸能盒吸能完成，此后車架開(kāi)始變形吸能。車架變形首先由防撞梁、上邊梁開(kāi)始，由碰撞能量變化曲線圖可以看出，此時(shí)B柱加速度保持在較高值并不斷增大，其加速度峰值出現(xiàn)在42ms處，此時(shí)吸能區(qū)部件吸能完成，整車乘用倉(cāng)結(jié)構(gòu)開(kāi)始變形吸收能量。由B柱速度曲線可以看出，B柱形變過(guò)程均勻，無(wú)劇烈變化。

3.2.2車門(mén)門(mén)框變形量分析

碰撞結(jié)束后，為保證乘客安全，需要車門(mén)能夠正常開(kāi)啟。車門(mén)的防撞性能也是評(píng)價(jià)汽車碰撞安全性的重要指標(biāo)，車門(mén)能不能正常開(kāi)啟（根據(jù)碰撞法規(guī)規(guī)定，碰撞結(jié)束后每排至少有一個(gè)車門(mén)可以正常打開(kāi)），車門(mén)的變形量都是重要的數(shù)據(jù)指標(biāo)。在碰撞仿真過(guò)程中，僅僅根據(jù)Hypermesh仿真數(shù)據(jù)確定車輛碰撞結(jié)束后，能否在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的作用力下正常開(kāi)啟車門(mén)是比較困難的，但可以通過(guò)對(duì)門(mén)框變形量的數(shù)值對(duì)其進(jìn)行間接評(píng)價(jià)。

在正面碰撞過(guò)程中，門(mén)框主要受縱向沖擊力，門(mén)框的變形主要表現(xiàn)在出現(xiàn)縱向壓縮。門(mén)框的強(qiáng)度決定了車門(mén)會(huì)不會(huì)受到擠壓，當(dāng)門(mén)框強(qiáng)度不夠，碰撞變形量達(dá)到一定程度時(shí)，門(mén)框就會(huì)與車門(mén)發(fā)生擠壓，使車門(mén)發(fā)生變形，輕度的變形問(wèn)題不大，但是當(dāng)車門(mén)變形比較嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)使門(mén)框與車門(mén)卡死，同時(shí)車門(mén)變形量大也會(huì)對(duì)乘客造成傷害。

如圖6所示，取出門(mén)框上有代表性的測(cè)量點(diǎn)，分別測(cè)出測(cè)點(diǎn)A～K的最大變形量。

模擬碰撞門(mén)框變形量如圖7所示。

將門(mén)框變形量整理后與要求值對(duì)比如圖8所示。

3.2.3浸入量分析

隨著車體碰撞程度加大，乘用艙空間受到擠壓，倉(cāng)內(nèi)乘員會(huì)因身前圍板、方向盤(pán)、制動(dòng)踏板、離合踏板等侵入乘用空間，受到擠壓發(fā)成接觸傷害。安全理想的車身結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證在發(fā)生碰撞時(shí)，乘用空間不被擠壓，零部件不應(yīng)該大面積侵入成員空間，各吸能部件應(yīng)能均勻變形、充分吸能，碰撞力不能過(guò)分集中，應(yīng)該均勻分散至車身各部位骨架，均勻變化，乘用空間變形量越小越好，盡可能的降低乘用艙空間的擠壓。前圍板、方向盤(pán)以及制動(dòng)腳踏板的侵入量如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

3.2.4電池盒應(yīng)力及應(yīng)變分析

由于電動(dòng)乘用車儲(chǔ)能電池等大質(zhì)量塊的質(zhì)量要占到整車質(zhì)量的20%以上，這里有很大的區(qū)別于傳統(tǒng)同內(nèi)燃機(jī)車輛，因此需要對(duì)電池盒的應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行分析，保證車輛的安全可靠性。電池盒的應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。

4結(jié)語(yǔ)

本研究以森源自主研發(fā)的電動(dòng)乘用車項(xiàng)目為依托，根據(jù)GB11551-2003的要求，對(duì)設(shè)計(jì)車進(jìn)行正面碰撞仿真分析，從分析結(jié)果可以看出：

（1）碰撞過(guò)程中總能量基本未發(fā)生變化。系統(tǒng)能量主要由動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能組成，且分布比較合理，沙漏能占比較小，處于合理范圍內(nèi)，因此碰撞結(jié)果可靠有效；（2）B柱左側(cè)最大加速度：40.8g，B柱右側(cè)最大加速度：34.7g；（3）A柱發(fā)生變形，門(mén)檻前部發(fā)生變形；（4）前圍板最大侵入量約為：145mm（目標(biāo)值<150mm）；（5）方向盤(pán)x向最大侵入量約為：42mm（目標(biāo)值<127mm，方向盤(pán)z向最大侵入量約為：40mm（目標(biāo)值<100mm）；（6）制動(dòng)踏板最大侵入量約為：46mm（目標(biāo)值<200mm）；（7）碰撞過(guò)程中電池盒塑性應(yīng)變?yōu)?.04，小于許用應(yīng)變。根據(jù)分析結(jié)果顯示，此款車型正面碰撞具有較好的結(jié)構(gòu)耐撞性，滿足安全需要。