某電動汽車側面柱碰工況門檻梁截面參數優化

摘 要：某電動汽車側面柱碰工況電池模組截面峰值力（Fmax）超標，為提升電池碰撞安全性，同時實現車身輕量化，開展門檻梁截面參數優化。選取26個厚度及位置參數作為優化變量，以減小Fmax和門檻梁質量作為目標，以電池模組最大擠壓變形量（dmax）和塑性應變（εpmax）作為約束。首先通過最優Latin超立方生成樣本，基于樣本建立全連接神經網絡近似模型，然后運用NSGA-Ⅱ算法開展多目標優化，最后將優化結果代入仿真進行驗證。結果表明：優化后電池模組Fmax由21.8 kN降低至20 kN以下，達到了安全要求；同時，門檻梁減重1.41%～4.02%，實現了輕量化效果。進一步分析表明，部分方案電池模組dmax和εpmax也同步降低，在減重的同時更全面地提升了電池的碰撞安全性。

關鍵詞： 側面柱碰；電池安全；近似模型；輕量化；有限元仿真

中圖分類號： U 461.91 ；U 463.82 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.002

發展新能源汽車是應對排放污染和石油能源過度消耗的重要措施。近10年，以電動汽車為代表的新能源汽車產業得到了快速發展，市場保有量和滲透率逐年增加。隨著電動汽車的發展，其安全問題也受到了越來越多的關注[1]。與傳統燃油車相比，電動汽車的碰撞安全設計難度更大：一方面，為了提高續航能力，電動汽車需要安裝質量較大的動力電池，導致整車質量普遍高于同級別的燃油車，碰撞時慣性和能量更大，對結構的抗撞性要求更高；另一方面，電池殼體本身在一定程度上充當著碰撞傳力的路徑，電池模組在受到嚴重沖擊和擠壓時容易發生失效、漏電、起火甚至爆炸等現象，在考慮乘員安全的同時還要額外考慮對動力電池的保護[2-3]。

常見的汽車事故類型有正面碰撞、側面碰撞和追尾碰撞等。側面柱碰是側面碰撞的一種特殊形式，是指汽車橫向與路邊柱狀物（ 樹木、交通指示牌等） 發生碰撞的情形。側面柱碰工況下，車身與障礙物接觸面小，受力集中，而車身側圍結構又相對薄弱，幾乎沒有車身結構變形吸能空間可以利用[4-5]，因此很容易產生較大的局部變形，進而擠壓到動力電池，危害電池安全。側面柱碰對電池的保護難度遠高于正面碰撞和追尾碰撞。側面柱碰試驗納入了2021 版中國新車評價規程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP），規程中要求電動汽車強制進行測試[6]。

車身門檻梁是側面柱碰撞工況中起抵抗變形、吸收碰撞能量和保護電池作用的最主要結構。與傳統沖壓鈑金結構相比，“宮格形”截面的擠壓鋁型材門檻梁具有質量更輕、抗彎和吸能特性更好等優勢，是當前電動汽車上廣泛應用的結構形式。門檻梁的正向開發中，概念階段主要借助拓撲優化方法來獲得符合結構碰撞變形策略要求的截面傳力路徑[7-9]，然后結合制造、裝配等工藝因素形成初始截面設計方案。在詳細設計階段，需要進一步對門檻梁截面外輪廓及內部加強筋的厚度和形狀做參數優化，以達到碰撞安全性和輕量化的最優平衡。由于碰撞工況非線性程度高，通常需要利用進化算法（如遺傳算法、粒子群算法等）來搜索全局最優解，但迭代中會進行數以千計的仿真計算，耗費巨大資源[10]。基于近似模型的優化方法可大幅提高優化效率，是結構碰撞優化領域常用的方法之一。姚再起等[11]通過搭建響應面近似模型，結合遺傳算法開展了某車型門檻梁截面優化，在抗撞性提升的同時實現了輕量化效果。近似模型法的主要缺點是變量較多時需要大量增加樣本才能保證其精度，導致仿真計算成本的增加。等效靜態載荷法（equivalent static loads method，ESLM）是另一種在結構碰撞優化領域被廣泛應用的優化方法，其基本原理是將瞬態非線性碰撞優化問題轉化為靜態多工況優化問題，而靜態問題可由梯度法進行快速求解[12]。陸善彬等[13]采用ESLM開展了汽車前端結構抗撞性優化，結果表明該方法可高效高精度求解碰撞優化問題。受ESLM啟發，MA Yanhua等[14]提出了原理相近的等效靜態位移法，用于解決接觸力優化問題。然而，當碰撞工況的非線性非常顯著時，ESLM還存在計算效率低、數值不穩定、收斂性變差等問題[15]，需要進一步研究和改進。除借助上述優化方法外，在門檻梁腔內增加泡沫鋁、復合材料體等填充物來提高局部抗撞性能也是常用且有效的優化措施[16]。

本文以某電動汽車為研究對象，通過有限元仿真分析評估其在柱碰工況下的電池安全性。然后，選取門檻梁截面厚度和位置參數作為優化變量，采用基于近似模型的優化方法，按照生成實驗設計樣本、建立近似模型、遺傳算法尋優及仿真驗證的流程開展參數優化，實現電池碰撞安全性提升和車身輕量化的目的。

1 某電動汽車側面柱碰有限元仿真

1.1 有限元模型

有限元仿真分析是車輛被動安全設計領域廣泛應用的驗證方法。本文參考2021 版C-NCAP 側面柱碰法規建立了某電動汽車側面柱碰有限元模型，如圖1 所示。整個模型共包含13 751 669 個節點、7 521 432 個殼單元、6 697 344 個體單元以及435 580 個線單元。整車模型以32 km/h （ 約8.89 m/s） 的初速度側面撞擊直徑為254 mm 的剛性立柱，撞擊方向與車輛縱向中心線之間成75°夾角，過剛性立柱中心線與假人頭部重心的平面平行于碰撞方向[17]。運用Ls-Dyna 軟件進行計算，采用大規模并行處理（massively parallel processing，MPP）計算方法，中央處理器（central processing unit，CPU）核數為256，單次計算時間約8 h。

1.2 仿真結果分析

為了更好地展示門檻梁及電池包在碰撞過程中的局部變形過程，截取了不同時刻門檻梁和電池包撞擊位置的剖面圖，如圖2 所示。碰撞初期左前門首先與剛性立柱接觸，直到15 ms 時門檻梁開始正式參與碰撞變形；隨后，門檻梁受到擠壓，截面產生屈曲變形，發揮抗撞和吸能作用，到35 ms 時基本被完全壓潰；同時，電池包殼體也在撞擊作用下產生較大變形，電池包邊框開始擠壓到電池模組；隨著碰撞的進行，門檻梁截面進一步潰縮，電池模組局部也產生肉眼可見的擠壓變形，并在48 ms 左右達到最大擠壓狀態；之后，門檻梁和電池包開始回彈，直到碰撞結束。

為了定量評估碰撞結果，定義電池模組截面力（F）、擠壓變形量（d） 和塑性應變（εp） 3 個參數來綜合表征電池包的受撞擊程度，如圖3 所示。其中，F 用來描述模組整體的受力情況，d 用來描述模組整體的受擠壓情況，εp 則用來描述模組局部的變形和破損情況，3 個參數的數值越大表示撞擊越嚴重，電池發生失效、漏電和熱失控的風險越大。

基礎狀態下，撞擊位置每個電池模組F、d 和εp在碰撞過程中的變化情況如圖4 所示，其趨勢與門檻梁和電池包的變形過程相吻合。從大約15 ms 開始，門檻梁開始與剛性立柱接觸，撞擊力經門檻梁傳遞到電池包，產生與碰撞方向相反的加速度，在慣性作用下，電池模組內部產生輕微的擠壓變形，截面力隨之上升，同時在局部也產生了較小的塑性應變；隨后，門檻梁開始潰縮，吸收碰撞能量和撞擊力，電池模組整體發生回彈，截面力隨之下降；直到35 ms 左右，門檻梁基本被完全壓潰，電池模組開始與邊框產生直接接觸，截面力F、擠壓變形量d 和塑性應變εp 迅速增大，并在48 ms 左右達到峰值；回彈階段，電池模組產生的彈性變形開始回復，擠壓變形量d 逐漸下降，最后剩余穩定的殘余塑性變形，截面力F 快速下降到幾乎為零，局部不可回復的塑性應變εp 在達到峰值后基本保持不變。