汽車平臺架構開發過程中安全性能的設計和仿真

周丹鳳　李德根　涂金剛

摘要： 為實現汽車平臺化開發策略，在平臺內不同車型間最大程度共用底盤、下部車身、動力總成、電器架構和內飾骨架等部件，探索碰撞安全平臺化設計的思路和方法。在對國內外安全法規和標準發展趨勢分析的基礎上，制定平臺安全性能目標和開發策略。正向開發搭建完整的汽車平臺框架結構，應用CAE仿真分析進行平臺內車型碰撞安全性能的設計優化，最終達成平臺安全性能開發的目標要求。在此基礎上總結整理碰撞安全平臺化開發設計流程，供后續平臺開發項目參考。

關鍵詞：平臺化開發；框架；碰撞安全；正向開發

中圖分類號： U461.91

文獻標志碼： B

Abstract：In order to realize the strategy of vehicle platform development， and to maximally share parts among different types of vehicles on platform， such as chassis， lower body， power assembly， electrical structure， interior frame， and so on， the thinking and methods of platform design for impact safety are explored. Based on the analysis of development trend of safety regulations and standards at home and abroad， the platform security performance target and development strategies are made. A complete vehicle platform frame structure in forward development is built， and the design optimization on impact safety performance of vehicle in the platform is analyzed using CAE simulation. The target requirement on platform security performance development is reached finally. The design process of impact safety development platform is arranged. It can supply reference for the platform development project.

Key words：platform development； frame； impact safety； forward development

0 引 言

汽車平臺化開發在國外汽車企業中已得到較成熟的發展和推廣，是大勢所趨。平臺化開發將同平臺車型下部車身和絕大部分底盤設計固定，使設計優點在同平臺車型中可以得到很好的傳承。這不僅可以減少單個車型的設計缺陷、縮短開發周期，而且還可以減少后期樣車試制和性能驗證的試驗費用，從而降低平臺車型的研發成本，使車型具有穩定的性能，使企業具有更好的盈利模型，快速響應市場、搶占先機。

碰撞安全性是整車開發關注的重要性能之一，在平臺框架搭建和前期開發階段對其進行充分的研究具有重要意義。本文以某平臺開發項目經驗為基礎，分析碰撞安全平臺化設計的思路和方法，對平臺開發前期概念設計階段的安全性能開發進行解析。

1 汽車平臺化開發的定義

1.1 平臺化開發定義

汽車的平臺化開發就是在開發過程中用相似度很高的底盤和下部車身結構，同時支持不同類型汽車的開發，后期不同車型產品的生產和制造都可以共用一條生產線，所生產出的車型外形和功能不盡相同。這樣可以使得設計、工程、生產工藝和主要構件實現資源平臺化共享。

1.2 汽車平臺化開發的范圍

平臺化開發的基礎是平臺化部件開發。從產品子系統分塊角度劃分，平臺化開發研究范圍（見圖1）大致可規劃為如下幾個系統：（1） 下部車身系統，包括發動機艙骨架總成、前后地板骨架總成和門檻總成等；（2） 底盤系統，包括懸架系統、傳動系統、轉向系統、制動系統、車架總成和四驅系統等；（3） 內外飾系統，包括座椅骨架系統和儀表橫梁系統等；（4） 動力總成集成系統，包括發（動機）變（速）系統、懸置系統、進排氣系統、冷卻系統、燃油系統和空調系統等；（5） 電器系統，包括電器架構系統和線束能源系統等。[1]

2 汽車碰撞安全平臺架構開發策略

在平臺開發初期，應明確該平臺所開發產品的預售市場及其在所銷售市場的定位，也就是所謂的目標市場和產品定義。針對目標市場未來5～10 a的法規和標準進行研究，預測發展趨勢，并且根據現狀對安全定義的目標進行可行性評估，確定能否通過可行的技術提升滿足未來幾年上市產品所定義的目標。

2.1 安全法規和標準的發展趨勢及平臺化研究的重點

目前，世界各國、各地區都有相應的安全標準和技術法規，但歸納起來，所有汽車安全性技術法規可分為兩大體系，即歐洲體系和美國體系，兩者的考察范圍不盡相同，具體如下。

（1） 美國FMVSS中的碰撞工況最復雜，考慮的范圍較為廣泛：碰撞方面包括100%正面碰撞、角度碰撞和40%偏置碰撞；乘員方面考慮大個子男性、小個子女性和是否系安全帶等。FMVSS碰撞試驗分為前碰、側碰、后碰和動態翻滾等。

（2） 歐洲ECE工況較為簡明，前碰包括100%正碰和40%偏置碰撞，側碰包括50 km/h側碰和29 km/h柱碰，但是新增加了對行人保護的相關法規。

隨著全球化進程的推進，全球的法規和標準逐漸相互融合、相互彌補。中國的C-NCAP修訂歷程顯示出逐步向Euro NCAP靠攏的趨勢，有望增加側面柱碰工況。Euro NCAP計劃將100%全剛性墻正面碰撞納入新車評價體系中，側面柱碰工況也將參考美國標準提速至32 km/h；美國標準也逐步考慮對行人保護的相關要求。綜合上述發展趨勢，平臺未來開發車型應將50 km/h正碰、64 km/h偏置碰、側碰和柱碰工況納入考察范圍。[2-3]平臺架構開發階段重點關注2個前碰工況，側碰和柱碰涉及上部車身結構較多，故在整車設計階段完成，此處不予考慮。

2.2 平臺架構開發中安全性能目標的制定及開發策略

安全性開發可以歸納為兩大方向：一是主動安全開發，二是被動安全開發。主動安全開發多涉及電器和底盤的設計，主要是提升車型整體配置檔次和人性化需求，與架構關系不大；被動安全開發涉及框架和布置等基礎開發和約束系統匹配的問題，與平臺架構密切相關，需在前期設計中考慮周到。對于平臺化開發過程中的安全性能來說，整體的實現策略是平臺內各款車型采用相似度很高的下部車身架構，通過不同配置和造型實現車型差異化，確保平臺內車型均達標。

平臺安全目標的制定應該有自上而下的策劃過程，明確產品定義對安全性的要求，從而解讀被動安全的碰撞星級要求。根據具體的星級要求，結合未來的發展趨勢，制定能夠滿足前瞻性的安全結構方面的具體衡量指標和相關目標值，以此目標值作為平臺架構開發的安全性能目標。平臺框架的碰撞安全表現以此安全性能目標為衡量標準進行架構設計和開發。

在架構開發過程中，要有明確的策略實現平臺的變化。平臺內各車型的差異通過可變區域調整，見圖3。（1） 前、后懸架的長短差異可變換整車前、后部造型；（2） 軸距的長短差異可實現整車大小等級的調節和乘員艙空間的調整；（3） 懸架長短和輪胎型號的變換可實現離地間隙和整車高度的變化。這些變化在同一平臺均可實現，即平臺具有包容性。與此同時，平臺設計中還存在不可變區域，此部分的布置和設計對平臺內所有車型是一致的，也是平臺設計的關鍵。由于一個平臺會涉及平臺內所有車型的沿用，其優點可以繼承，其缺點亦會并存，因此不可變區域的設計至關重要。

在前期開發階段首先要明確平臺內的軸距、整車質量和具體車型動力總成等輸入，然后根據各項參數綜合考慮質量、高度和軸距，設計能夠承載產品定義帶寬內的各車型的整車平臺安全架構。對于整個平臺而言，要求在允許的情況下各車型零部件盡量通用，但也不乏一些特殊車型的某些特殊要求，考慮車型局部差異化。

圖3中的前懸可變區域與輪心到前擋板的不可變區域是平臺安全碰撞設計的關鍵區域。首先，合理利用前懸可變形空間的壓潰，最大程度吸收碰撞能量；然后，合理設計不可變區域的空間布置，減緩載荷對乘員艙的沖擊；最后，設計穩固的乘員艙結構，保護乘員生存空間，從而在碰撞時控制對乘員的傷害。

2.3 平臺開發中安全策略的實施方案

在整個平臺開發過程中，安全策略具體實施方案的制定要因地制宜。因平臺架構開發中主要涉及前碰的關鍵部件，故以前碰為例進行具體介紹。

前碰安全開發的主要影響因素有整車高度、質量，前艙的碰撞空間以及乘員艙的結構完整性等，重點考慮主要傳力路徑的搭建和具體關鍵件的結構設計。針對前碰分析模塊，提取關鍵維度，根據質量要求對分析維度提出具體的屬性要求。因此，需要大量的概念分析研究，才能制定能夠滿足目標的具體設計方案。前碰關鍵因素示意見圖4。

（1） 前部碰撞空間。前部碰撞空間是前碰的主要吸能區域，碰撞產生的能量主要通過這部分空間

的變形來吸收，從而降低對乘員艙的破壞和對乘員的傷害。保證合理的碰撞空間是前碰的必要條件。

（2） 整車高度差異。一個平臺需要考慮不同車型的規劃，例如轎車、SUV、HB和MPV等。平臺內車型之間的整車高度有差異，在前部偏置碰中會出現縱梁與壁障的重合率不同，由此帶來整車載荷分布的差異。對于同一個車身，必須兼顧不同狀態下的傳力穩定性，例如可以將前?？偝傻奈芎性O計成單側傾斜，在組裝時不同車型的前保總成正裝或反裝以適應整車高度差異。

（3） 傳力路徑。平臺內主要的縱向框架路徑均屬于前碰力的傳遞路徑。前艙最主要的傳力吸能框架是2根縱梁；上縱梁作為輔助路徑也起到傳力作用，往乘員艙方向延伸；地板縱梁、門檻和中通道均屬于關鍵的傳力路徑。必須確保這些主要平臺框架結構能夠順暢地傳力和合理地變形，所以要求其框架應具有必要的完整性和延續性。

除此之外，前碰關鍵件和乘員艙的結構設計也非常重要。按照前述設計要求對其初步框架進行搭建，具體的結構設計和優化借助CAE仿真手段，權衡其在平臺內不同車型中的綜合表現。

3 平臺化開發CAE仿真設計思路

3.1 前碰框架的設計

前碰主要涉及2個工況，即100%剛性墻碰撞和40%重疊壁障偏置碰撞。根據不同法規和標準，有的可能考察其中之一（如GB、Euro NCAP），有的2個工況都需要考察（如C-NCAP）。在車型開發階段，兩者都需要考慮。在汽車前部碰撞過程中，車內乘員的損傷主要來自于幾個方面的作用和相互作用，包括巨大的車身減速度對乘員造成的沖擊、車身乘員艙結構變形對乘員生存空間的侵占、乘員在車內發生二次碰撞等。

前碰框架的設計既要考慮在100%正碰中前艙空間能夠穩定壓潰，又要保證在40%偏置碰撞中壁障先于整車變形，吸收更多碰撞能量。車輛前碰設計階段應盡可能利用前艙的有效可變形碰撞空間，最大程度地吸收碰撞能量，使碰撞造成的乘員艙變形盡量小。碰撞安全的基本原理即能量守恒原理，見圖5。

除碰撞能量吸收外，前碰的重要設計準則還包括載荷傳遞結構的設計。完整的框架設計使碰撞產生的力能夠順暢傳遞，并合理地分布，見圖6。牢籠式“O”型結構見圖7，該設計可使乘員艙結構穩固，保證足夠的生存空間。

3.2 前碰CAE虛擬仿真設計和驗證

CAE虛擬仿真是項目概念設計的有效手段。概念設計階段首先設計關鍵零部件和子系統，零部件的截面大小、形狀和力學特征均需在CAE虛擬仿真中進行研究，在零部件子系統分析中得到較為理想的結構后進行系統試驗驗證。經驗證可穩定變形的零部件才能搭載到完整的平臺框架中，進行整體結構的匹配與調整。綜合考慮平臺的容量，定義模型整備質量為平臺最大質量，動力總成以規劃主銷為主要分析對象，同時考慮不同高度車型的碰撞表現。綜合不同高度車型的表現對前碰的2個工況進行優化設計，這也是平臺碰撞安全開發的難點，需要大量循環往復的分析計算尋找方案。綜合平臺內不同高度車型的碰撞變形形式，其中高度差異對前部偏置碰的影響尤為明顯，涉及整車傳力路徑、壁障不同碰撞塊的接觸和力的傳遞問題。最終得到一個魯棒性較好的結構，其在不同高度下偏置碰的車身結構變形基本保持一致，從而保證平臺內車型碰撞結果的一致性。[4-6]

仿真設計方案在碰撞中的實際表現需要通過試驗驗收和評價。平臺整體架構設計方案仿真分析完成后進行Mule Car試驗，驗證前期設計的有效性，確保平臺架構設計方案進入實際工程設計階段之前安全性能達標，為后期工程設計打下基礎。平臺安全性開發流程見圖8。

3.3 SUV和轎車前部偏置碰表現對比

通過上述仿真優化，最終不僅需要得到滿足目標值要求的結果，更希望得到在碰撞過程中可以同時承載不同車型差異的平臺架構。這就要求在考慮不同車型高度差異時平臺框架保持相同的變形模式，反應到最終表現形式上即同平臺內不同車型車身加速度波形趨勢和峰值保持在可接受范圍內，乘員艙侵入量基本保持一致。以前部偏置碰工況為例展示該平臺框架SUV和轎車車型的表現，其車身加速度波形對比和乘員艙侵入量對比分別見圖9和10。

不同車型高度的差異對偏置碰中加速度波形和前擋板乘員腳部區域位移影響較小，通過兼容式設計可基本保持SUV和轎車碰撞結果一致。

4 結束語

介紹汽車平臺化開發的范圍和意義，闡述平臺化開發策略和具體的實施方案，從仿真角度對汽車碰撞平臺化開發流程進行分析，提出汽車碰撞安全性能平臺化開發的思路和方法，由此可大大縮短車型研發周期，快速響應市場需求。對于未來的市場導向，還應該在平臺開發中將新能源車型進行同步規劃，以適應市場對新能源車的需求，并結合新材料、新工藝的發展，考慮車身結構輕量化設計[7-8]。

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（編輯 武曉英）