電動車仿生鋁防撞梁耐撞性設計

張友國，宋小文，李卓富，楊飛飛

（1.愛馳汽車（上海）有限公司，上海 201821；2.浙江大學，杭州 310058；3.浙江零跑科技有限公司，杭州 310051）

電動汽車受限于電池儲能量，續航能力飽受消費者質疑。車越輕，續航里程越大，電動汽車的競爭力也越大。鋁質防撞梁因輕量化效果明顯且在汽車正面碰撞中的碰撞性能優異，在Audi A8、Bentley Bentayga、Alfa Romeo Giulia等中高端車型上應用廣泛。越來越多的研究致力于鋁防撞梁的結構設計優化，而仿生結構的應用更是一個重點。

徐中明等[1]運用Optistruct法對鋁合金防撞梁截面進行拓撲優化，確定防撞梁在靜態受載荷情況下的最優截面形狀為“日”字形，鋁合金防撞梁減重效果達到38.4%。WANG Dengfeng等[2]研究了“日”字形和“目”字形鋁防撞橫梁的剛度和耐撞性，得出后者的性能更優，但重量更大。TAO Xu等[3]將蒲草、竹子等仿生截面應用在前防撞梁和吸能盒上，吸能效果明顯。ZHANG Linwei等[4]研究了甲殼蟲殼表面的多邊形網狀結構，設計了18種仿生多孔管的防撞梁吸能盒結構，發現八角形的多孔管防撞梁吸能盒碰撞效果最好。

受仿生結構優化碰撞性能的啟發，在汽車鋁防撞橫梁設計中引入4種生物仿生結構，利用CAE汽車碰撞模擬仿真法，研究仿生截形的鋁防撞梁提升耐撞性的可行性，并通過對比不同仿生截形的變化分析對性能提升的影響。

1 前碰理論

在汽車正面全寬高速碰撞試驗中，碰撞過程能量守恒，大部分動能轉化為車身鈑金的變形能。

式中：E為正面碰撞能量，kJ；m為質量，kg；v0為碰撞初速度（約為50 km/h）；F為碰撞載荷，N；v為過程速度，m/s；t為碰撞時間，s；T為總的碰撞時間，s。

前置前驅電動汽車前部主要部件的典型布置，如圖1所示，前艙內硬點主要是電機、變速器和控制模塊。與傳統汽油車相比，電動汽車動力總成所占用的空間較小，前部變形空間較大。汽車碰撞時主要有4個壓潰變形空間，分別為S1、S2、S3和S4。理想情況下，4個變形區依次壓潰，S1壓潰后，分別到S2、S3和S4。截面力F1＜F2＜F3＜F4，平均加速度a1＜a2＜a3＜a4。

圖1 前置前驅電動汽車前部主要部件的典型布置

B柱加速度是衡量汽車碰撞安全性的重要參數。它關乎乘員碰撞時受到的傷害值，以及安全氣囊點爆時間。正面碰撞時典型的B柱加速度曲線，如圖2所示，圖中4個峰值a1max、a2max、a3max、a4max分別和圖1中的4個壓潰變形區間對應。

圖2 典型正面碰撞B柱加速度曲線

2 仿真模型

2.1 不同仿生截面

為了探究仿生截面對防撞梁的影響，從自然界典型的承力結構中借鑒了梯度形、蝸牛殼形、蜘蛛網形和胚胎球形得到4種不同的截面B、C、D、E方案，并與對照組A進行對比（圖3）。這4種仿生截面保留了生物體原有的基本特征，并進行抽象和重構。

梯度形設計是生物材料普遍采用的基本性能優化策略之一，可獲得梯度變化的力學性能，實現局域剛度、強度與韌性的優化分布和相互匹配[5-6]；蝸牛殼作為蝸牛的“房子”，能承受比自重大2200倍的壓力，為蝸牛免受其它生物的傷害和沖擊提供了有力的保護[7]，這和貝殼仿生結構的力學特性類似[8]；蜘蛛網所具有的獨特幾何外形，具有較高的強度和柔性[9]；胚胎球形是大部分卵生動物或哺乳動物在母體胚胎時的形態，當受到沖擊時，能最大程度地分散吸收的能量以減少損傷[10]。

圖3 防撞橫梁仿生截面

2.2 建模和仿真

本模型基于一款兩座高速電動汽車的工況進行分析，整備質量約為933 kg，防撞梁中心線離地間隙h= 455 mm，模擬正面碰撞速度為50 km/h，壁障等碰撞模型依據GB 11551—2014汽車正面碰撞的乘員保護，如圖4所示。

圖4 簡化的正面碰撞模型

側重探究了鋁合金防撞梁仿生截面對汽車全寬正面碰撞（FFB）的影響。為了減少弱相關因素的影響，簡化了模型：選擇x向長度D1=200 mm的前防撞梁總成，以及前縱梁D1=400 mm長的數據作為碰撞零件，將車體其它部分簡化為一個長方體。分析時重點關注前防撞梁和縱梁前段變形區壓潰的仿真結果。

在偏置碰撞（ODB）工況下，良好的防撞橫梁剛度能使碰撞力較均勻地傳遞到左右前縱梁，從而對碰撞結果產生積極影響。因此，同時建立了三點彎曲模型對防撞橫梁的靜態剛度進行分析，如圖5所示。

式中：k為彎曲剛度，N/mm；F=1000 N為施加在橫梁上的作用力；δ為由力產生的最大位移，mm。

圖5 防撞橫梁三點彎曲模型

利用Hypermesh軟件建立有限元模型，零部件網格主要采用四邊形殼單元模擬，網格平均尺寸為5 mm；防撞梁總成內部的縫焊連接采用Rigid單元模擬，防撞梁總成和縱梁之間的螺栓連接也采用Rigid單元模擬，縱梁內板和縱梁外板之間的點焊焊接采用六面體單元模擬。使用Radioss軟件進行非線性求解，各主要零件的力學性能參數見表1。

表1 各主要零件的力學性能參數

2.3 仿真結果和分析

分別對對照組防撞梁和4種仿生截面防撞梁對應的模型在同等計算條件下進行求解。

從碰撞變形來看，方案A、方案B、方案E的防撞橫梁兩端完全壓潰，而方案C、方案D的防撞橫梁兩端并未完全變形；從碰撞橫梁中間區域的位移量來看，方案A和方案E的位移量最大，方案B的位移量最小，不同截面防撞梁的碰撞變形如圖6所示。從彎曲剛度的計算結果來看，如圖7所示，方案A的彎曲剛度最小，方案B和方案E的彎曲剛度相差不大，方案C和方案D的彎曲剛度最大，基本和正面碰撞時橫梁的變形模式吻合。

圖6 碰撞15 ms時的變形圖

圖7 防撞橫梁的彎曲剛度

如圖8所示，曲線為5個方案碰撞壓潰過程中的防撞橫梁吸能量。分析5條吸能曲線，總吸能量大小順序為：梯度形＞ 蜘蛛網形＞胚胎球形＞蝸牛殼形>對照模型。

5個方案碰撞前20 ms的B柱加速度變化曲線如圖9所示。圖中B柱加速度達到最大時，是吸能盒壓潰后的加速度值。根據工程經驗值，在前20 ms防撞梁壓潰的過程中，B柱加速度值在275～343 m/s2之間比較理想。過大，則對乘員傷害加大；過小，則影響安全氣囊的及時點爆。

圖8 防撞橫梁吸能量

對比碰撞過程，分析圖9的加速度曲線可以發現，方案A和方案B的峰值都超過了343 m/s2，而方案C、方案D和方案E的峰值都在理想區間內。從壓潰需要的時間來看，梯度形壓潰時間最長，而對照模型壓潰時間最短。

圖9 碰撞前20 ms的B柱加速度變化曲線

對于防撞梁方案優劣的評估，最重要的4個評估因素分別是輕量化、B柱加速度、吸能量大小和橫梁彎曲剛度。5個方案的評估參數見表2。

表2 A～E方案的評估參數

根據統計學方法，將各評估參數的工程數值依照線性一次方程量化為得分：質量從1.5 kg到3 kg得分分別為10～6分；綜合車身結構耐撞性以及約束系統匹配要求，設定加速度在275～343 m/s2評為10分，343～392 m/s2得分分別為10～6分，245～275 m/s2得分分別為6～10分；結合前防撞梁吸能量對碰撞的影響，設定吸能量4.5～10 kJ得分分別為6～10分，吸能3～4.5 Jk得分分別為3～6分；結合彎曲剛度對偏置碰撞時均勻分配力的影響，設定剛度值0～6000 N/mm得分分別為0～6分，剛度值6000 ～18000 N/mm得分分別為6～10分。

建立數學模型。對于多變量的方程，如式（3）所示。

式中：Y是方案的綜合得分，滿分是10分；自變量X1、X2、X3、X4分別為質量、加速度、防撞橫梁吸能量和彎曲剛度的得分；a、b、c、d則是相關性系數，根據本項目的偏好與側重點，取值分別定義為35%、20%、30%和15%。各方案的綜合得分見表3。

表3 A～E方案的綜合得分

由表3可知，方案E的綜合得分最高，為8.57分，在幾個仿生截面中最符合本項目的設計目標要求。與對照組-口字形防撞梁相比，E方案質量增加18%，防撞橫梁吸能量增加37%，最大加速度降低13.8%為314.5 m/s2，在理想目標區間內的彎曲剛度則提升16.3%。

3 胚胎球形的進一步分析

3.1 不同球形數量和排布對碰撞的影響

以上研究對比了4種仿生截面對防撞梁的正面碰撞影響，從而得出胚胎球形是最佳方案。將具有胚胎球形截面的防撞梁結構作為測試對象，探索了不同數量的胚胎球形對防撞梁耐撞性仿真結果的影響。

建立數學模型：

式中：Y(β,)δ為目標函數，它也是式（3）中的方案綜合得分；,β為不同球形數量和排布；)δ為防撞橫梁不同區域的料厚。

為探究不同數量胚胎球形在防撞橫梁腔體內的不同排布對正面碰撞的影響，先取 )δ=2。為了簡化計算過程，又設計了2個球形、3個球形、4個球形、5個球形共4個方案與1個球形方案進行對比，如圖10所示。

圖10 防撞梁不同球形數量和排布

由LS-DYNA仿真計算后得出各方案的碰撞變形結果，如圖11所示。由圖可知，方案E、E1、E3的防撞橫梁兩端壓潰變形良好，方案E2和E4防撞橫梁兩端變形不夠充分。各方案防撞橫梁的彎曲剛度結果如圖12所示，從E、E1、E2、E3到E4，彎曲剛度逐漸提升，基本和正面碰撞時橫梁的變形模式吻合。

各方案的評估參數見表4。由表可知，在防撞橫梁吸能量方面，吸能最多的是方案E3，吸能量為8.35 kJ；在碰撞20 ms內加速度的表現方面，方案E和E1是最優的；在質量和彎曲剛度方面，球形數量越多，質量越大，彎曲剛度越大。

表4 E～E4方案的評估參數

圖11 碰撞15 ms時的變形圖

圖12 防撞橫梁的彎曲剛度

根據式（3）的計算方式，各方案的綜合得分見表5。

表5 E～E4方案的綜合得分

從力的傳遞路徑角度分析，E、E1和E3由于傳力路徑是直線，容易壓潰；E2的3個球形組成三角形，結構穩定，不容易壓潰變形；E4更是組成了兩個穩定的三角形穩定路徑，如圖13所示。從幾個方案的碰撞變形結果，以及吸能量的大小來看，也驗證了這一點。

圖13 受力分析圖

由上文可知：（1）方案E1的兩個球形防撞橫梁的綜合得分最高，為8.75分，在幾種球形排布方案中最符合本項目的設計目標要求。（2）在受到同樣沖擊載荷的情況下，球形沿著受力方向“一”字形排布，比三角形排布方式更有利于壓潰變形。（3）在球形沿著受力方向“一”字形排布時，如果壓潰變形良好，那么球的數量越多，吸收的能量越多。

3.2 不同厚度對碰撞的影響

在方案E1的基礎上，僅通過更改兩個球形防撞橫梁的不同料厚組合，研究料厚對碰撞結果的影響。結果表明，如果料厚太厚，壓潰變形不充分，吸能水平降低；如果料厚太薄，則可壓潰的材料不足，吸能量也會降低。

4 結論

通過模擬仿真，對基于仿生形狀截面的鋁合金前防撞梁的正面碰撞進行了系統研究，得出以下結論。

（1）研究了梯度形、蝸牛殼形、蜘蛛網形和胚胎球形4種不同的截形防撞梁應用在兩座電動汽車上時對正面碰撞的影響。綜合考慮輕量化、碰撞加速度、防撞橫梁的吸能量和彎曲剛度，發現胚胎球形截面防撞梁的設計能夠使前防撞梁的傳力更合理，提高耐撞性能和吸能效果。與對照組口字形防撞梁相比，防撞橫梁的質量增加18%，能量增加37%，最大加速度降低13.8%為314.5 m/s2，剛好在理想的目標區間內，而彎曲剛度則提升16.3%。

（2）為了探究不同球形數量在防撞橫梁腔體內的不同排布對正面碰撞的影響，又設計了2個球形、3個球形、4個球形、5個球形共4個方案的仿真計算，再將其結果與1個球形方案進行對比，得出2個球形方案的綜合得分最高。與1個球形方案對比，2個球形方案的防撞橫梁質量幾乎不增加，加速度仍然在理想范圍內，但是吸能量增加14.5%，剛度提升0.5%。

（3）對于每個車型的鋁防撞橫梁，其耐撞性一般都有最優匹配值。在材料和結構不變的情況下，防撞梁的料厚過厚或者過薄都會減少正面碰撞的吸能量。

（4）根據分析結果，未來將搭載新的造車項目，把仿生截面應用到鋁防撞橫梁中進行實車試驗。