純電動汽車的碰撞相容性與NVH多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化*

雷正?！⌒ち州x　陽　彪　寧　寒

(長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院　長沙　410004)

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純電動汽車的碰撞相容性與NVH多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化*

雷正保肖林輝陽彪寧寒

(長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院長沙410004)

摘要：為提高純電動汽車的碰撞相容性與NVH綜合性能，文中在車身概念設(shè)計階段，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，以純電動汽車車身剛度和平均頻率最大為目標(biāo)，結(jié)合碰撞相容性指標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.結(jié)果表明，該方法能有效地提高純電動汽車的碰撞相容性，還能提高車身低階模態(tài)頻率，達(dá)到改善純電動汽車碰撞安全性與舒適性的目的.

關(guān)鍵詞：電動汽車；拓?fù)鋬?yōu)化；多目標(biāo)優(yōu)化；碰撞相容性；NVH

雷正保(1964- )：男，工學(xué)博士，教授，主要研究領(lǐng)域為汽車安全技術(shù)

*國家自然科學(xué)基金項目資助(批準(zhǔn)號：51175050)

0引言

目前由于汽車車型的多樣化發(fā)展，使得汽車碰撞相容性問題尤為突出.碰撞相容性是指汽車在碰撞中既可以保護(hù)自己的乘員同時又保護(hù)對方車內(nèi)乘員的特性，在碰撞中，只有2車內(nèi)的乘員死亡率都很低時才表明2車具有良好的相容性[1].

針對汽車的碰撞相容性問題，近年來不少學(xué)者對其進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[2]研究了微型客車與一般乘用車車身前部結(jié)構(gòu)的差異，得出該差異是造成兩車較大不相容的主要原因.文獻(xiàn)[3]研究了SUV與轎車的碰撞，得出次級吸能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)能夠提升SUV與轎車的碰撞相容性.文獻(xiàn)[4]通過改進(jìn)某重型卡車保險杠的剛度等參數(shù)，實現(xiàn)了轎車與重卡的碰撞相容性的優(yōu)化設(shè)計.文獻(xiàn)[5]利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，結(jié)合正交優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)最優(yōu)比吸能和輕量化對純電動汽車頭部進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)的研究碰撞相容性提供了新的設(shè)計思路.

上述對碰撞相容性研究都是車身構(gòu)型已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，在形狀和尺寸方面做優(yōu)化.以往為了改善碰撞相容性，簡單對于質(zhì)量較小的車輛增加前端剛度，以提高自身的碰撞安全性，這是不科學(xué)的，并且這些研究局限在單目標(biāo)問題上[6-7]，僅僅是單目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化很難得到滿足實際工程最優(yōu)結(jié)構(gòu).白車身的振動特性對整車的動態(tài)特性具有決定性的意義，它不僅影響汽車的剛度、強度、可靠性和使用壽命，還影響乘坐舒適性[8].因而有必要在研究碰撞相容性的同時綜合考慮車身的NVH(noise、vibration and harshness)性能，以達(dá)到多目標(biāo)優(yōu)化目的.

為了提高純電動汽車車身的碰撞相容性與NVH性能，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最初階段融入碰撞相容性評估方法，建立多目標(biāo)加權(quán)下的目標(biāo)函數(shù)模型，以車身剛度和平均頻率最大為目標(biāo)，對電動汽車車身進(jìn)行多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化.

1耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法

采用HCA算法中常用的固體各向同性懲罰微結(jié)構(gòu)插值SIMP模型(solid isotropic microstructure with penalization).

在HCA算法中，每個元胞i的狀態(tài)由設(shè)計變量xi(相對密度)和場變量Si(內(nèi)能密度)來定義.該算法的基本準(zhǔn)則是最少的材料達(dá)到最大的剛度.

2碰撞相容性評價指標(biāo)的確定

2.1相容性影響分析

影響碰撞相容性的因素主要有3個，即汽車的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度，以及幾何外形.

首先，在剛性相同的條件下，當(dāng)發(fā)生碰撞的兩車質(zhì)量不同時，質(zhì)量輕的汽車在碰撞雙方中處于不利地位，其變形較大，乘員室入侵嚴(yán)重，車內(nèi)乘員也更加危險；其次，有研究表明，當(dāng)碰撞速度與汽車質(zhì)量一定時，汽車前部的最大變形量與剛度成反比，通常小車前部剛度較小，小車與大車相撞時，即便碰撞強度不大，小車也會出現(xiàn)較大的變形量.為此，質(zhì)量大的車應(yīng)適量降低其前部剛度，質(zhì)量小的車應(yīng)適量增加其前部剛度.另外，在幾何外形因素中影響碰撞相容性最關(guān)鍵的是行車高度，當(dāng)行車高度不同的兩車發(fā)生碰撞時，車輛前部承力構(gòu)件將會在縱向上錯開，行車高度低的車輛出現(xiàn)鉆底現(xiàn)象，這是因幾何外形所導(dǎo)致的碰撞中最危險的一種情況.

考慮到針對電動汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，質(zhì)量變動因素不是很大，要提高汽車的碰撞相容性就要從結(jié)構(gòu)剛度和幾何外形入手，改進(jìn)結(jié)構(gòu)剛度和幾何外形成為相容性研究的重點.

2.2碰撞相容性評價方法

歐洲汽車安全加強委員會(EEVC)提出一種有效的完全重疊可變形壁障法(FWDB)，該方法具有準(zhǔn)確反饋出車體在碰撞過程中力的吸收與傳遞路徑，同時考慮到了汽車正面碰撞的相容性和安全性，是完全重疊碰撞測試方法中最常用的，最普及的研究手段[9-10].

根據(jù)FWDB完全重疊可變形壁障法，提出正面碰撞相容性如下2個指標(biāo)：力的平均高度AHOF和目標(biāo)行載荷垂直負(fù)偏差VNT，這里AHOF是車輛施加在壁障上的作用力的平均高度，用以評價碰撞時2車車體結(jié)構(gòu)縱向上的錯位.計算方法見式(1).AHOF的數(shù)值一般規(guī)定在500～600 mm之間，主要是考慮到SUV等車型的力的平均高度在此范圍之內(nèi)，太大或者太小都不合適.

(1)

式中：Fi為不同時間各測力單元的碰撞力；Hi為各單元高度；F(t)為某時間點各單元作用力的合力；HOF(t)為某時間點作用力平均高度.

VNT則反應(yīng)作用區(qū)內(nèi)的作用力，考查結(jié)構(gòu)碰撞力的均勻分布性，下限值規(guī)定為100 kN.VNT的計算方法見式(2).

THEN,ABS(Ri-TR);ELSE=0]

(2)

式中:Ri=∑Fij，fij為單元的峰值載荷.

3純電動汽車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

3.1優(yōu)化模型的建立

以某品牌電動車模型為基礎(chǔ)，并對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕酝瓿烧w車身拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型的建立.首先根據(jù)所需乘員艙的基本尺寸預(yù)留出乘員艙的基本空間，除去行李艙、車門、和風(fēng)窗玻璃等部分，預(yù)留出控制器、動力電池等部件的布置空間，建立的三維模型，見圖1.

圖1　車身優(yōu)化原始構(gòu)型

在完成整體車身拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型后，對于車身設(shè)計區(qū)域采用六面體單元進(jìn)行分，為了使整個模型規(guī)模不致過大以保證計算時間，體單元尺寸設(shè)為25 mm.

3.2工況分析載荷和加載

汽車的碰撞相容性對車頭結(jié)構(gòu)提出了要求，而NVH性能針對乘坐區(qū)剛度及舒適性提出了相應(yīng)要求.

根據(jù)FWDB完全重疊可變形壁障法壁障布置形式為8行16列，每個壁障單元的尺寸為125 mm×125 mm，壁障蜂窩鋁測力單元結(jié)構(gòu)，汽車以56 km/h的速度撞擊壁障，設(shè)置壁障的第三行第四行與車頭接觸，見圖2.

圖2　車身碰撞有限元模型

車輛行駛中的NVH工況是復(fù)合存在的，主要針對扭轉(zhuǎn)和彎曲工況.

1) 扭轉(zhuǎn)工況針對于電動汽車在不平路面上行駛狀態(tài)車身所受載荷工況，在前軸左右車輪軸心動態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩，四輪懸空, 分別釋放對應(yīng)鉸接自由度.

2) 彎曲工況針對車身滿載狀態(tài)下，行駛在平坦路面上時車身的承載情況，在前排、后排座椅中心位置4個位置施加Z向動載荷，同時約束右前輪垂向，左前輪垂向、橫向，右后輪縱向和垂向，左后輪3個自由度.

3.3多工況下剛度拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)

工程中通常把剛度最大問題等效為柔度最小化問題來研究,柔度值的值為單元總應(yīng)變能值,更加方便計算與提取.由折衷規(guī)劃法可得到靜態(tài)多剛度拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù).

3.4低階模態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

以固有頻率最大化為目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)固有頻率的拓?fù)鋬?yōu)化，采用平均頻率法來研究，得到模態(tài)頻率目標(biāo)函數(shù)如下.

式中：為了調(diào)整目標(biāo)函數(shù)，給出s及δ0參數(shù)；Λ(ρ)為平均頻率； f為優(yōu)化中低階頻率的階次；δi為第i階頻率特征值；νi為第i階頻率的權(quán)重系數(shù).

3.5綜合目標(biāo)函數(shù)

綜合考慮多剛度目標(biāo)和振動頻率目標(biāo)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，由帶權(quán)重的折衷規(guī)劃法可得到多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的綜合目標(biāo)函數(shù).

式中：F(ρ)為多工況加權(quán)后總的目標(biāo)函數(shù)；Λmax，Λmin為模態(tài)頻率函數(shù)中的對應(yīng)的最大與最小值；w為綜合優(yōu)化中柔度目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重.

4車身優(yōu)化結(jié)果和構(gòu)型提取

將整車作為優(yōu)化區(qū)域，車身設(shè)置對稱約束，對質(zhì)量分?jǐn)?shù)a=30%的約束條件下的模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，優(yōu)化過程中受力小的空間材料被刪除，優(yōu)化過程見圖3.

圖3　拓?fù)鋬?yōu)化過程

通過對優(yōu)化結(jié)果觀察可以發(fā)現(xiàn)清晰的載荷路徑，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果結(jié)合實際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，初步確定電動汽車車身結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型見圖4.

圖4　優(yōu)化結(jié)果的提取

5拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，建立相應(yīng)的有限元模型，對其正面碰撞相容和NVH性能進(jìn)行分析，驗證優(yōu)化設(shè)計方案的可行性.

5.1相容性驗證分析

汽車以56 km/h的速度撞擊壁障，對此過程進(jìn)行仿真，模型撞擊壁障的接觸面力曲線見圖5，得出第三行的壁障接觸面力的最大值為289.34 kN，第四行接觸面力的最大值為305.27 kN，2個目標(biāo)行的載荷值均大于規(guī)定值100 kN，滿足碰撞相容性指標(biāo)VNT的要求.

圖5　測力墻接觸面力

AHOF可通過式(1)求得.其中:Fi=σi×A,σi為壁障各單元的應(yīng)力；A為各單元的面積.壁障各單元的應(yīng)力可通過軟件后處理獲得.由該方法可以得到，AHOF的值為563.23 mm，在500～600 mm之間，滿足正面碰撞相容性的要求.

3.2NVH性能驗證分析

汽車在行駛中常受到外部和內(nèi)部的激勵而產(chǎn)生強迫振動，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需使車身的固有振動頻率避開外界激勵產(chǎn)生的頻率范圍，以避免共振，保證汽車良好的工作性能.考慮到車身低階振動固有頻率對結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能影響最為顯著，故在研究系統(tǒng)的響應(yīng)時重點考慮前幾階的固有頻率和振型.

計算得到純電動汽車車身自由模態(tài)下前5階頻率和振型見表1，位移云圖見圖6.

表1　車身模態(tài)分析結(jié)果

圖6　車身前三階模態(tài)振型示意圖

一般高速公路和城市較好路面的激勵多在5 Hz以下，由表1可見，車身前3階的振動頻率為25.09～43.27 Hz有效地避開了路面對汽車的激勵頻率范圍(一般為6～15 Hz)，且高于非簧載質(zhì)量的固有頻率，避免了共振的產(chǎn)生，一階彎曲模態(tài)和第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)2種固有頻率錯開3 Hz以上，沒有耦合效應(yīng).

5結(jié) 束 語

碰撞相容性問題是車輛被動安全的關(guān)鍵性難題，本研究在車身概念設(shè)計階段，從車身幾何構(gòu)型角度去改善碰撞相容性，通過分析影響相容性的三個重要因素，確定將碰撞力的平均高度AHOF和垂直負(fù)偏差VNT作為評價指標(biāo)，并結(jié)合NVH復(fù)合工況對純電動汽車進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到車身構(gòu)型.

碰撞分析壁障第三行和第四行的接觸面力均大于100 kN，碰撞力的平均高度AHOF為563.23 mm，可知該優(yōu)化結(jié)果構(gòu)型滿足碰撞相容性指標(biāo)要求.車身模態(tài)分析表明，該車身振動頻率能有效避免共振的產(chǎn)生，模態(tài)不會出現(xiàn)耦合效應(yīng).

參 考 文 獻(xiàn)

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Multi-objective Topology Optimization Design of

Electric Vehicle Based on Collision Compatibility and NVH

LEI ZhengbaoXIAO LinhuiYang BiaoNING Han

(InstituteofVehicleandMechanicalEngineering，Changsha

UniversityofScienceandTechnology,Changsha410004,China)

Abstract：In order to improve the comprehensive performance of pure electric vehicle collision compatibility and NVH, the method of topology optimization of crashworthiness is used at the conceptual design phase ,the pure electric car body stiffness and the average maximizing frequency is taken as objective , combined with collision compatibility index for topology optimization. Results show that the method can effectively improve the compatibility of pure electric vehicle collision, it can improve body low-order modal frequency, to improve the purpose of a pure electric vehicle safety and comfort.

Key words：electric vehicle； topology optimization； multi-object optimization； crash compatibility； NVH

收稿日期：2015-11-19

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.007

中圖法分類號：U270.2