小型新能源敞篷車車身設計分析與優化

劉華官 覃大煜

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著社會發展，人們物質生活水平的提高，敞篷車的時尚化、潮流化、個性化和酷炫化滿足了人們對個性化的追求。

敞篷車車型缺少B、C 柱，采用自動折疊篷蓋代替硬頂車頂，結構也更加復雜[1]，一體性較差。敞篷車對車輛性能和安全性要求更高。目前車身結構技術及乘員保護技術尚未成熟。李磊等利用杠桿原理對敞篷車車身結構分析，找出最優的碰撞載荷傳遞路徑。王鉦強等使用CATIA 完成了四門敞篷車的車身設計，滿足了四門敞篷車對車身結構和強度的難度要求，并進行了實車驗證。

本論文通過對兩座小型新能源座敞篷車白車身模態、剛度、強度、正面碰撞、側面碰撞建模分析以及整車實車驗證，為小型新能源敞篷車車身結構設計提供了一套可靠的設計方法。

2 小型新能源敞篷車車身結構特點

為保護動力電池和合理布置整車載重，小型新能源敞篷車動力電池一般安裝于車身中部位置，而這也讓整個車身下部結構產生了較大變化。

為確保足夠的成員空間，小型新能源汽車的前/后懸都設計得較短，在發生碰撞時，碰撞力傳遞、潰縮變形和吸能性能等方面表現較差。且其白車身上體為“敞開式”的結構設計，如圖1，A 柱與B 柱上端是“斷橋式”結構，其能量傳遞路徑是斷開的，能量無法從A 柱上端向車后傳遞，需下車體結構承擔更多的碰撞能量傳遞和吸能作用。

圖1 新能源敞篷車示意圖

3 小型新能源敞篷車車身設計基本要求

小型新能源汽車的車身結構設計需滿足模態、剛度和強度等靜態性能以及國家汽車行業相關的動態性能及法規要求。如GB11551-2014《汽車正面碰撞的成員保護》、GB20071-2006《汽車側面碰撞乘員保護》、FMVSS-208《乘員碰撞保護》、GB11552-2009《乘用車內部凸出物》、GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統及上拉帶固定點》等。

4 小型新能源敞篷車靜態性能分析及優化

4.1 車身模態分析及優化

結合小型新能源敞篷車結構特點、整車性能指標以及對行業敞篷車結構對標分析，設定了敞篷車車身扭轉模態＞22Hz，彎曲模態＞25Hz和前艙橫擺模態＞75Hz。因敞篷車上車體為“敞開式”的結構，車身抗扭轉/彎曲加強結構主要在兩側門檻上，如圖2（a）所示，并在動力電池正下方增加“X”形構件（b），其通過螺栓與車身連接。經CAE 仿真分析，各模態指標均滿足目標要求，如圖2（c）及表1 所示。

表1 模態仿真結果

圖2

4.2 車身強度分析及優化

車身強度即發生碰撞時車身抵抗變形的能力，車身強度不足時將導致車身發生開裂、斷裂、塑變及壓潰，使車身喪失安全使用功能而無法保乘成員安全。

小型新能源敞篷車受車內空間需求、動力電池的布置及“敞開式”車身結構等因素影響，為保證車身強度，內部結構件采用了大量的高強度鋼板（強度＞1200MPa）。如圖3 所示，車身門框前/后轉角處應力最大有138MPa（側圍外板材料＞145MPa），車身結構強度滿足設計標準要求。

圖3 強度仿真分析示意圖

4.3 車身剛度分析及優化

車身剛度即車身抗變形能力，與整車耐用性、安全性、舒適性、駕駛性能等息息相關。結合新能源敞篷車性能定義要求，根據其車身結構特點，設定了剛度性能指標：扭轉剛度＞8500N.m/deg、 彎 曲 剛 度＞7500N/mm。對標行業敞篷車車身結構，在動力電池正下方增加“X”形構件，CAE 分析如表2 所示，整車剛度滿足指標要求。

表2 剛度仿真結果

5 小型新能源敞篷車動態性能分析

5.1 GB11551-2014 《汽車正面碰撞的成員保護》分析

小型新能源汽車整車尺寸小，為保證更大的乘員空間，犧牲了其前/后懸的長度，而前懸長度又直接決定汽車正面碰撞吸能空間，影響整車正面碰撞性能。為解決正面碰撞問題，設計了三條傳力路徑的三級傳力車身結構，如圖4 所示。

圖4 傳力路徑示意圖

路徑①縱梁作為主要傳力通道，碰撞后第一時間有效地將碰撞力傳遞至門檻邊梁。

路徑②副車架上設計一個吸能橫梁結構，通過副車架傳遞碰撞力至車身前三橫梁構件上，形成一個“空間三角體”傳力結構，再借助電池包兩側結構加強梁向后傳力。

路徑③車身上設計一個“金字塔”式的Shotgun 合件，作為第三條傳力路徑，將碰撞力通過車門上/下縱梁向后傳遞。

如圖5 所示，經50km/h 正面碰撞分析，乘員艙結構完整，滿足GB11551 法規要求。

圖5 50km/h正面碰撞仿真試驗示意圖

5.2 GB20071-2006《汽車側面碰撞乘員保護》分析

敞篷車側面碰撞時，入侵車內乘員空間的主要結構件有車體門檻、B 柱、車門和防翻滾裝置等，其碰撞力的傳遞路徑如圖6（a）所示。經仿真分析可知，門檻與B 柱處承受的力最大，此處車門入侵量也是最大的。為減小入侵量，優化車身關鍵結構及零件選材，如圖6（b）所示：

圖6 傳力路徑圖

（1）將門檻結構截面增大，門檻內板采用料厚2.0mm 的高強度熱成型鋼（1500MPa），同時加大B 柱接角結構件；

（2）車門后下角內增加一個料厚2.0mm的熱成型鋼（1500MPa）加強板。

（3）車內增加“人”字形傳力熱成型管梁構件（1500MPa），管梁直徑φ25mm，料厚1.5mm。

通過CAE 仿真及實車碰撞驗證可知，該設計滿足側面碰撞法規GB20071-2006要求，如圖7、表3 所示。

表3 乘員傷害測試結果表

圖7 側向碰撞仿真圖

5.3 GB20072-2006 《乘用車后碰撞燃油系統安全要求》及GB/T31498-2021《電動汽車碰撞后安全要求》分析

動力電池布置在車身前后軸之間，通過螺栓將動力電池與車身連接。結合動力電池安全性能要求制定了仿真評價指標：電池包及支架最大侵入量≤5mm，蓄電池及支架最大應變≤0.35。經CAE 仿真分析及實車驗證，結果如圖8 所示，電池包侵入量為3.5mm，蓄電池及支架最大應變≤0.016，本設計滿足GB20072-2006、GB/T31498-2021 要求。

圖8 整車后碰CAE仿真示意圖

5.4 GB11552-2009 《乘用車內部凸出物》分析

作為一款小型新能源汽車，以經濟性為核心，簡化內飾造型及車身結構設計，避免內部凸出物超出法規限值要求。為保證基本安全性能要求，利用CAE 模擬碰撞仿真，降低內部突出物高度設計，并經試車碰撞驗證，其結果如圖9、表4 所示，滿足GB11552 法規要求。

表4 敞篷車內部凸出物動態試驗仿真

圖9 乘用車人體頭部模擬碰撞仿真示意

5.5 GB14167-2013 《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統及上拉帶固定點》分析

敞篷車無B 柱上體結構，需在座椅后方設計一個：“虛擬B 柱”為安全帶提供安裝點。結合敞篷機構布置要求，在后地板上設計截面積為35000mm矩形結構，其與防翻裝置設計組成“龍門式”框架結構。經CAE 仿真分析，結果如圖10、表5所示，滿足GB14167法規要求。

表5 車身及座椅最大應變表

圖10 CAE分析的示意圖

5.6 FMVSS-208《乘員碰撞保護》分析

受軟頂敞篷機構及其強度影響，需增加翻滾保護系統設計，該系統由兩部分結構組成，如圖11 所示。第一部分結構為在座椅靠背后增加一個“方梁式”防滾裝置，主體結構截面為矩形。其主體結構上方焊接兩根高強度折彎鋼管，通過焊接和螺栓連接的組合方式與車身側圍連接形成整體結構。第二部分結構為在左/右A 柱增加高強度折彎鋼管結構，折彎鋼管通至B 柱處。防滾裝置上的兩根折彎鋼管上端與A 柱上的折彎鋼管的上端形成“理論支撐平面”，形成翻滾保護系統。

圖11 翻滾保護系統設計示意

模 擬 以48.5km/h 時 速， 側 向 進 行翻滾試驗仿真，翻滾過程中，地面最大受力為55kN，假人頭部離地最小距離大于32.5mm，車身結構入侵量均小于35mm，結果表明此翻滾保護系統滿足美國高速公路安全管理局（NHTSA）制定的FMVSS208 測試標準要求，如圖12 和表6 所示。

表6 車身結構侵入量分析結果表

圖12 地面與車身接觸力

5.7 其它動態性能分析

根據敞篷車的特殊性和用戶應用場景出發，綜合實際工況，制定了2 項模擬頂壓分析的工程指標：（1）頂部加載正向下裝置力，車身結構可承受力＞45kN；（2）受力45kN 時車身變形位移量＜85mm。通過CAE仿真分析如圖13，本軟頂敞篷車最大可承受87.1kN，滿足目標設定；受力達45kN 時，頂蓋變形量為83.5mm，滿足目標設定。

圖13 頂部抗壓強度分析

6 結語

本文著眼于小型新能源軟頂敞篷車結構安全性不足的缺陷，對其內部結構進行優化設計，并進行CAE 仿真試驗驗證，結果表明，本設計安全性良好，符合GB11551-2014、GB20071-2006、GB20072-2006、GB11552-2009、GB14167-2013、FMVSS-208 等 國 家安全標準規定，具有良好安全性，為敞篷車設計提供參考借鑒。