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qichecailiao.com 摘要：随着纯电动汽车的飞速发展，纯电动汽车的整车安全性问题亟待解决。在保证车身轻量化的同时需要解决车身的正碰安全问题。本文针对某款纯电动汽车的轻量化车身进行正碰优化方案研究。整个研究分为三个阶段，通过不断结构优化，最终确定优化方案，得到一款正碰性能优良的轻量化车身。 关键词：纯电动汽车；轻量化车身；正碰；优化方案 随着近几年各国对节能环保的重视，电动汽车成为国内汽车企业的主要开发对象。纯电动汽车是一种零排放的新型交通工具，但由于现今技术的束缚，其能量利用效率以及续航里程比较低。实验表明，车身是影响纯电动汽车的能量利用率和续航里程的关键因素。轻量化车身能有效提高纯电动汽车的能量利用率和续航里程，但同时也应保证整车安全性能不低于传统燃油汽车 。据统计，我国汽车正面碰撞事故约占事故总数的 23%，是导致事故死亡人数最多的原因。因此，在保证车身轻量化的前提下，纯电动汽车正面碰撞安全性能问题的解决方案非常重要。 国内对纯电动汽车轻量化车身正碰的研究还处于起步阶段，取得的研究成果还很少，对汽车碰撞的研究成果主要集中在传统钢板的燃油汽车。因车身采用全新材料和结构，兼顾纯电动汽车电池包、电机、电控等三电系统的布置和匹配，这也使得在传统燃油车上的碰撞实验经验并不完全适用全新材料纯电动汽车。为满足纯电动汽车关键部件的布置和整车安全性要求，需重新优化设计轻量化车身并进行碰撞试验。 本文对纯电动汽车轻量化车身正碰优化方案进行研究，本研究将分为三个阶段，通过对轻量化车身结构的不断优化和 CAE 分析得出最终优化方案。 通过相关的纯电动汽车轻量化车身正碰优化方案的研究，发现车身正碰优化方案的主要内容是对轻量化车身结构的优化。实验表明，前机舱主要部件（如前纵梁）能吸收的碰撞能量主要能量，故下面就轻量化车身及其前舱正碰优化方案分为三个阶段进行研究。 1.1 第一阶段（M0 数据阶段） （1）建立模型：本阶段在三维软件中建立简化的原始碰撞模型，整车重量为 950kg，碰撞速度取 50Km/h，模型如下图 1。 （2）100% 正碰分析：运用 ANSYS 软件先将模型划分成单元网格，取节点数 906890 个，单元数 1032330 个，设置速度为 50km/h，整车质量 950kg，模型质量（含假人）为 1100kg。取目标质心位置为（1089，-1, 268），模型质心位置为（1088.3 , 5.9, 268.4），壁障类型为刚性墙，碰撞角取电动车纵轴 0°；再进行 CAE 分析得到如下图分析结果。 由图 2 可以看出，机舱整体变形量不大，呈现出刚体的特征，前机舱结构不稳定，纵梁吸能不足。通过上述分析结果得出左侧 B 柱下端加速度与右侧 B 柱下端加速度都非常大，而且 B 柱下端加速度最大值达到60.2g，这表明车身在正碰过程中变形很大。 图 3 表明虽然吸能盒在碰撞过程中受力最多，但门槛梁、副车架、机舱横梁等部件也传递了较大的力，同时该结果为后续优化提供可靠的依据和途径。正碰入侵量进行分析可知，最大入侵量处在前围部分高达132.6mm，这说明该模型在正碰过程中不仅前舱将会受到严重的损害，还会危及驾驶员的生命。 通过上述对 B 柱下端加速度、截面力传递以及前围入侵量的分析得出以下结论和不足： ①纵梁在根部及悬架安装支架处折弯，吸能盒变形不充分； ②副车架微小变形，刚性偏大； ③地板横梁入侵量较大。 （3）优化方案：为了很好的解决上面 3 点问题或不足，提出如下优化方案并进行 CAE 分析。方案一：在 M0 阶段数据基础上，对机舱构件结构及尺寸进行优化如下： ①将 1 水箱上横梁、2 水箱横梁上下连接梁、3 水箱横梁左连接梁和 8 前副车架纵梁改用塑料件； ②4 侧围左前支撑梁改用 2mm 壁厚，结构做成内部十字筋的型材； ③5 吸能盒增长 30mm；7 前挡板横梁需进行截面优化，厚度为2mm。 ④6 前纵梁添加厚度为 2.5mm 的加强筋，添加封板，后部厚度增至2.5mm； 对上述优化模型进行 CAE 分析，得到分析结果如上图 5。 通过优化方案一的优化，发现机舱变形结果比 M0 阶段模型变形量要大，能一定程度上阻止碰撞能量向后传递。B 柱左右两侧下端加速度明显下降，最大加速度值为 45.1g，与 M0 阶段最大值相比下降了25.1%，能降低相关部件的变形量。截面力传递实验结果：吸能盒在碰撞过程中吸能最多，相比 M0 阶段的结果门槛梁、副车架以及顶横梁所传递的力降低几乎一半；入侵量最大值为 111.3mm，与 M0 阶段相比入侵量性能有了较大提升，但是初步判断入侵量仍偏大，需进一步优化。 方案二：在方案一基础上，针对前围入侵量大的问题，对机舱构件结构及尺寸进行优化：前纵梁增加压溃筋，内部加强筋铣削加长40mm；前副车架纵梁结构需要更改，如图所示；前挡板下横增加梁截面尺寸，内腔采用十字筋。 以方案二的优化结构模型为研究对象进行 CAE 分析，分析结果上图7。 通过对地板横梁结构优化，发现与优化方案一相比 B 柱左右两侧下端加速度有所上升，最大 B 柱下端加速度为 46.9g，上升了 1.8g。在截面力传递方面，纵梁前部和纵梁后部所传递的力上升近一倍。但前围入侵量最大值为 81.7mm，与方案一相比下降了 26.6%，前围入侵量性能有了进一步的提升，后期仍需在整车碰撞分析中进一步关注。 1.2 第二阶段（M1 阶段） 通过对 M0 阶段的研究，发现机舱的碰撞性能并不理想，为了进一步提升前机舱的吸能效果，降低前围的入侵量，减小 B 柱加速度值；对机舱结构进行设计优化。 （1）建立模型：根据 M0 阶段的模型进行改进，并通过 ANSYS 软件建立简化模型，整车重量为 950kg，碰撞速度去 50Km/h，模型如下图。 对已建好的模型进行 CAE 分析，分析结果如上图 9,10 所示。由上述分析结果可以得出以下结论： ①悬架安装支架处严重扭曲变形； ②纵梁诱导槽未发生溃缩变形，无法充分吸能； ③地板第一横梁变形大，入侵量较大； ④ B 柱下端速度最大值为 47.0g，与 M0 阶段的优化方案二相当；⑤前围入侵量最大值为240.3mm，与 M0 阶段相比大幅上升，上升幅度为 81.2%。 方案一：在 M1 阶段数据基础上，对机舱构件结构及尺寸进行优化：调整侧围左前支撑梁厚度，调整吸能盒材料，前纵梁前段进行调整材料及料厚并去除非安装孔，对前挡板下横梁进行调整截面和料厚，调整前防撞梁料厚，前纵梁后段需调整材料和厚度，轮罩本体进行修改切边，新增轮罩支撑梁，调大前挡板下横梁后支撑。 对优化模型进行 CAE 分析，得到如上图 12,13 分析结果。由上述分析结果与 M1 阶段原模型相比可以得出以下结论： ①悬架支座变形改善； ②纵梁前段有效溃缩吸能； ③地板横梁变形改善明显； ④ B 柱下端速度最大值为 66.7g，与 M1 阶段相比上升41.9%； ⑤前围入侵量最大值为 36.5mm，与 M1 阶段相比大幅下降，下降幅度为 84.8%，能有效改善车身安全性能。 方案二：在方案一阶段数据基础上，对机舱构件结构及尺寸进行优化：吸能盒向前增长 5mm，向后增长 10mm，纵梁前部溃缩筋改为溃缩孔，纵梁前部溃缩筋改为溃缩孔，纵梁前部和后部连接方式更改为螺栓连接，加入部分机舱电器件及支架。 通过改进模型进行 CAE 分析，分析结果如图 15。 通过分析得到如下结果： ①具有与方案一的机舱变形效果； ②纵梁前段变形效果改善； ③ B柱下端速度最大值为 61.2g，与 M1 阶段相比上升 30.2%，但与 M1 阶段方案一相比下降 8.2%； ④前围入侵量最大值为 53.4mm，与 M1 阶段相比大幅下降，下降幅度为 77.8%，但与 M1 阶段方案一相比上升 46.3%，能有效改善车身安全性能。 以上方案为简化模型基础上进行优化后的结果，仅作为结合设计提供优化方向，具体加速度、侵入量数值以整车碰撞分析为准。 1.3 第三阶段（M2 阶段） 本阶段结合 M0 和 M1 阶段优化过后的模型进行设计，前纵梁后部采用新结构，并通过三维软件建立简化模型，整车重量为 855kg，碰撞速度取 50Km/h。 对模型进行 CAE 分析，分析结果如下。
本文对某款纯电动汽车轻量化车身正碰优化方案进行了研究，通过三个不同的阶段的研究，正碰方案的不断优化，最后得到一款满足碰撞安全性能的强量化车身。该车身在正面碰撞分析中，整车加速度峰值小于目标值，达到设计要求；前防撞梁、吸能盒及纵梁发生皱褶变形，吸能充分，变形模式较好；前围板入侵量满足评价指标。结构优化后的纯电动轻量化车身具有良好的正面碰撞安全性，有效地解决了纯电动汽车正面碰撞的问题。同时，也为现有纯电动汽车车身结构的改进提供了一种全新的思路。 来源：期刊—快讯与探索 |
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