基于側(cè)面碰撞安全性的電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)＊

王騫劉軍張亞軍謝書港

（1.寧波大學(xué)，寧波 315211；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于側(cè)面碰撞安全性的電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)＊

王騫1劉軍1張亞軍2謝書港2

（1.寧波大學(xué)，寧波 315211；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

為實(shí)現(xiàn)某純電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)，在保證其電池包擠壓及連接安全的前提下，通過安裝電池包前、后側(cè)面碰撞過程傳力特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)件變形模式的對(duì)比，選出對(duì)性能影響較大的結(jié)構(gòu)件，采用靈敏度及主效應(yīng)分析法確定了所選結(jié)構(gòu)件的材料。選取精度較高的近似模型，采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，以厚度為設(shè)計(jì)變量、車門最大侵入量和質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)、門檻侵入量等為約束條件，獲得了最優(yōu)輕量化方案。

1 前言

電動(dòng)汽車已成為解決環(huán)境和能源問題的研究重點(diǎn)，同時(shí)，汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效的措施之一[1]。因此，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行輕量化的同時(shí)，除考慮碰撞結(jié)構(gòu)變形所引起的乘員傷害外，還需要考慮動(dòng)力電池在碰撞中受到擠壓時(shí)起火爆炸、安裝點(diǎn)失效等危害[2]。

針對(duì)以上問題，本文通過仿真得到某車型的側(cè)面碰撞結(jié)果，分別從碰撞過程中的傳力路徑、結(jié)構(gòu)件變形模式、電池包安裝點(diǎn)安全性考慮，對(duì)比分析了安裝電池前、后的碰撞情況。將影響碰撞安全性的結(jié)構(gòu)件作為設(shè)計(jì)變量，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證側(cè)面碰撞安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

2 電動(dòng)汽車側(cè)面碰撞安全性

2.1 側(cè)面碰撞仿真模型的建立

本文使用的模型是由某純電動(dòng)車數(shù)模得到的有限元模型，整車質(zhì)量1 090 kg。車身上所有部件材料參數(shù)均由材料試驗(yàn)所得，因此，仿真模型具有較好的計(jì)算精度，可以用于進(jìn)一步研究。

根據(jù)C-NCAP的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，側(cè)面移動(dòng)壁障以50 km/h的速度由壁障中心線對(duì)準(zhǔn)前排座椅R點(diǎn)進(jìn)行沖擊，如圖1所示。

圖1 50 km/h側(cè)碰仿真

2.2 電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)汽車相比，該電動(dòng)車在前艙區(qū)域安裝了雙橫梁支架，將電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱總成置于傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器等位置，以螺栓連接的方式固定在支架上方，如圖2所示，高壓電器件集中在前艙的布置方式使得側(cè)面碰撞中有效避免了直接擠壓導(dǎo)致的漏電情況。

圖2 高壓電器件布置

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車上的核心部件，與傳統(tǒng)汽車相比，其質(zhì)量大、儲(chǔ)能高的特點(diǎn)是其在側(cè)碰安全性中需要重點(diǎn)考慮的方面。該車動(dòng)力電池采用全包圍的形式將電池置于箱體結(jié)構(gòu)中，并通過8個(gè)M10螺栓固定于地板下方，如圖3所示，電池包外殼與門檻內(nèi)板間的距離為86.2 mm，GB/T 31498—2015要求任何車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（On-Board Rechargeable Energy Storage System，REESS）部分不應(yīng)進(jìn)入乘員艙，在碰撞過程中不應(yīng)爆炸、起火[3]，所以設(shè)計(jì)要求門檻內(nèi)板的相對(duì)位移量應(yīng)小于80 mm，才不會(huì)導(dǎo)致側(cè)面碰撞中電池包的過度擠壓。

圖3 電池包安裝位置

其次應(yīng)考慮碰撞后乘員的生存空間。圖4所示為乘員與車門的初始位置，由圖4可知，ES-2假人胸部與車門內(nèi)飾的初始距離為174.4 mm，側(cè)碰過程中B柱及車門都可能擠壓乘員胸部，考慮碰撞后的空間余量及誤差，車門及B柱的最大侵入量應(yīng)小于150 mm。

圖4 乘員胸部與車門內(nèi)飾的初始位置

國外大量試驗(yàn)結(jié)果顯示，人體胸部的傷害與車門腰線（乘員胸部高度位置）侵入速度成正比，對(duì)于沒有安裝側(cè)面安全氣囊的車輛，得到肋骨平均變形量與車門或B柱的侵入速度之間的經(jīng)驗(yàn)回歸方程[4]：

式中，Drib為肋骨平均變形量；v為車門或B柱的侵入速度。

由此確定車門及B柱的侵入速度應(yīng)小于10 m/s。

2.3 結(jié)構(gòu)件變形模式及傳力路徑分析

在側(cè)碰接觸范圍中對(duì)主要的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析，明確側(cè)碰過程中的主要傳力路徑及相應(yīng)的主要變形區(qū)域。側(cè)面主要傳力結(jié)構(gòu)主要為頂端支撐件、門檻、A柱、B柱、地板橫梁等[5]，主要傳力路徑如圖5所示。

圖5 側(cè)碰傳力路徑分析

電池包布置在地板下方，碰撞時(shí)電池支架也會(huì)傳力，使得下車體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)車不一致。B柱最大變形量示意如圖6所示，由圖6可以看出，安裝電池包后與無電池包時(shí)相比，B柱下部變形減小，但上部變形增大。B柱下部和車頂橫梁截面力如圖7所示，增加電池包后，B柱下部傳力增大，而車頂橫梁傳力減小，表明安裝電池包后車體下部剛度增大，而上部剛度相對(duì)降低，可能導(dǎo)致B柱中上部侵入量過大，增加乘員頭、胸部傷害風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 B柱最大變形量示意

圖7 結(jié)構(gòu)件截面力對(duì)比

2.4 電池包安裝點(diǎn)碰撞安全性

從碰撞結(jié)果中提取安裝電池包的碰撞側(cè)4個(gè)連接螺栓所受拉力和剪切力，如圖8所示。各M10螺栓均為8.8級(jí)，許用拉應(yīng)力為800 MPa，許用剪應(yīng)力為480 MPa。

圖8 電池包連接螺栓受力情況

經(jīng)校核計(jì)算，連接螺栓的最大拉應(yīng)力為97.2 MPa，最大剪切應(yīng)力為96.4 MPa，遠(yuǎn)小于許用值。電池包連接支架的應(yīng)變?yōu)?.004，小于鑄鋁材料的斷裂應(yīng)變，所以電池包連接不存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

3 側(cè)碰結(jié)構(gòu)件材料協(xié)調(diào)匹配

采用正交試驗(yàn)法建立多項(xiàng)式響應(yīng)面計(jì)算材料變量和輸出響應(yīng)的關(guān)系，分析相關(guān)結(jié)構(gòu)件的主效應(yīng)情況，并通過帕拉托（Pareto）圖判斷各變量對(duì)響應(yīng)影響的貢獻(xiàn)率，即靈敏度分析[6]，為材料選取建立可參考的依據(jù)。

3.1 試驗(yàn)因素水平選取

考慮到車身材料種類較多，如果直接將材料的具體參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，不但會(huì)引入過多的設(shè)計(jì)變量，而且這些變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可能導(dǎo)致優(yōu)化得到的材料類型不存在，所以按照材料強(qiáng)度直接選取材料類型作為設(shè)計(jì)變量，而不利用材料參數(shù)。所選材料的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 備選材料相關(guān)參數(shù)

根據(jù)屈服強(qiáng)度將材料分為3個(gè)層次，并依次遞增，首先按屈服強(qiáng)度由低到高選取其中3種材料作為每個(gè)設(shè)計(jì)變量的3個(gè)水平，分別是DC03、B250P1、B340/590DP，其余材料為備選，如表2所示。通過傳力路徑分析篩選出13個(gè)相關(guān)結(jié)構(gòu)件作為材料匹配的對(duì)象，每個(gè)變量取3個(gè)水平構(gòu)建L27（313）正交表。

表2 側(cè)面碰撞正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)13個(gè)變量各3個(gè)水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在LS-DYNA軟件中對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算。由結(jié)果看出，門檻內(nèi)板相對(duì)位移量均小于目標(biāo)值80 mm，在側(cè)碰中對(duì)電池包影響較小，故只將車門最大侵入量y1、B柱最大侵入量y2、車門最大侵入速度y3及B柱最大侵入速度y4作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)側(cè)碰過程中主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行靈敏度和主效應(yīng)分析，在各層備選材料中根據(jù)其與主效應(yīng)的關(guān)系確定最終的材料。

最終確定13因素3水平試驗(yàn)表，如表3所示。

將各樣本點(diǎn)的輸入和輸出值導(dǎo)入Isight軟件中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立標(biāo)準(zhǔn)2階最小二乘多項(xiàng)式響應(yīng)面，通過擬合的多項(xiàng)式的系數(shù)來計(jì)算輸入值與輸出值之間的關(guān)系，即主效應(yīng)分析[7]。同時(shí)，對(duì)多項(xiàng)式的系數(shù)進(jìn)行正則化處理可以得到Pareto貢獻(xiàn)率圖，使用百分比的方式直觀地表示因子對(duì)響應(yīng)的貢獻(xiàn)大小，如圖9所示。

圖9 各構(gòu)件材料對(duì)輸出響應(yīng)的靈敏度分析

各構(gòu)件對(duì)不同響應(yīng)的主效應(yīng)分析如圖10所示。主效應(yīng)的數(shù)值越大，表明因子對(duì)響應(yīng)的影響越大；正的主效應(yīng)意味著隨著因子的增大，響應(yīng)也會(huì)變大，負(fù)的主效應(yīng)意味著隨著因子的增大，響應(yīng)會(huì)變小。結(jié)合Pareto圖分析可知，總體來說對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響較大的是結(jié)構(gòu)件A～結(jié)構(gòu)件I。編號(hào)為A的車門防撞桿材料對(duì)車門侵入量影響最為顯著并呈負(fù)的主效應(yīng)，意味著隨著材料強(qiáng)度的增大，車門最大侵入量將減小，雖然車門防撞桿材料強(qiáng)度的增大對(duì)B柱侵入量和侵入速度有正的主效應(yīng)，但貢獻(xiàn)率很低，所以使用超高強(qiáng)度鋼如BR1500HS符合主效應(yīng)分析。編號(hào)為B的A柱下外板材料強(qiáng)度增大對(duì)應(yīng)車門最大侵入量減小，但同時(shí)車門侵入速度和B柱侵入速度會(huì)相應(yīng)增加，參考其材料強(qiáng)度對(duì)車門侵入速度和B柱侵入速度貢獻(xiàn)率后，選定A柱下外板材料為B280VK。

圖10 各構(gòu)件材料對(duì)不同響應(yīng)的主效應(yīng)分析

基于以上分析，僅增加車身結(jié)構(gòu)件的材料強(qiáng)度是不可行的，因此，綜合考慮結(jié)構(gòu)件不同材料在各指標(biāo)中的影響關(guān)系，盡可能使用高強(qiáng)度鋼來達(dá)到輕量化和強(qiáng)度要求，可以基本選定匹配材料。根據(jù)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，車門防撞桿、A柱下外板、A柱下內(nèi)板、門檻外板、門檻內(nèi)板、B柱外板、B柱內(nèi)板、門檻加強(qiáng)件1、門檻加強(qiáng)件2對(duì)側(cè)面碰撞安全響應(yīng)影響最為顯著，因此，選擇這9個(gè)結(jié)構(gòu)件作為輕量化的設(shè)計(jì)對(duì)象。優(yōu)化匹配后的各結(jié)構(gòu)件材料如表4所示。

4 側(cè)碰結(jié)構(gòu)件輕量化

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和變量

為了保證側(cè)面碰撞過程中乘員空間的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，依據(jù)上述各構(gòu)件影響響應(yīng)貢獻(xiàn)率分析結(jié)果，選取影響最為顯著的9個(gè)結(jié)構(gòu)件料厚作為尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，選擇了B柱最大侵入量、車門最大侵入速度、B柱最大侵入速度和門檻內(nèi)板相對(duì)位移量作為安全性評(píng)價(jià)的約束條件，以9個(gè)結(jié)構(gòu)件的總質(zhì)量最小和車門最大侵入量最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)。側(cè)面碰撞中結(jié)構(gòu)件輕量化問題的數(shù)學(xué)模型可定義為：

式中，M為構(gòu)件總質(zhì)量；disD為車門最大侵入量；disB為B柱最大侵入量；vD為車門最大侵入速度；vB為B柱最大侵入速度；Δs為門檻內(nèi)板位移量；ti為各構(gòu)件厚度。

表4 各構(gòu)件的材料選定

4.2 構(gòu)件側(cè)面碰撞近似模型

為了提高優(yōu)化效率、減少整車有限元模型計(jì)算次數(shù)，采用近似模型對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)。常用的近似模型有響應(yīng)面（Response Surface Method，RSM）模型、克里格（Kriging）近似模型和徑向基（Radial Basis Function，RBF）模型[8]。本文采用均勻拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行了110次采樣，并得到其樣本點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，分別構(gòu)建了以上3種近似模型，并隨機(jī)選出20個(gè)樣本點(diǎn)，通過對(duì)其平均相對(duì)誤差、最大相對(duì)誤差和決定系數(shù)R2來比較各模型的精度。誤差分析如表5所示，由表5可知，RSM模型和RBF模型的平均相對(duì)誤差和最大相對(duì)誤差均高于Kriging模型，且兩個(gè)響應(yīng)中Kriging模型的決定系數(shù)R2均大于0.9，表明Kriging模型對(duì)于碰撞等非線性問題有較好的擬合精度，滿足工程預(yù)測的要求，所以對(duì)車門最大侵入量和構(gòu)件總質(zhì)量建立Kriging模型，并進(jìn)行之后的多目標(biāo)優(yōu)化。

4.3 輕量化設(shè)計(jì)過程及結(jié)果分析

考慮到厚度與結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的復(fù)雜性，采用非支配解排序遺傳算法NSGA-II對(duì)所建立的近似模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化[9]，取種群規(guī)模100、進(jìn)化代數(shù)50、雜交概率0.9，圖11為得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)Pareto前沿圖。由圖11可知，車門最大侵入量和構(gòu)件總質(zhì)量最小是相互矛盾的響應(yīng)，所以2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)是相互制約的。

表5 3種近似模型的誤差分析

圖11 優(yōu)化設(shè)計(jì)Pareto前沿

將基于最小距離選解法得到的優(yōu)化解代入有限元模型中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到優(yōu)化前、后的碰撞響應(yīng)對(duì)比曲線，如圖12所示。

圖12 優(yōu)化前、后碰撞響應(yīng)對(duì)比曲線

將初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)列出，如表6所示。由表6可知，通過優(yōu)化匹配車身重要結(jié)構(gòu)件的材料和厚度，使得車門最大侵入量和所選構(gòu)件總質(zhì)量分別降低了4.11%和8.04%，同時(shí)，從圖12中可以看出，各項(xiàng)碰撞響應(yīng)均優(yōu)于初始值，從而在保證車身碰撞安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化。

5 結(jié)束語

a.通過對(duì)比電池包安裝前、后碰撞過程中結(jié)構(gòu)件傳力及變形模式發(fā)現(xiàn)，電池包布置于地板下的電動(dòng)汽車下車體剛度較傳統(tǒng)車偏大，導(dǎo)致車體中上部結(jié)構(gòu)件在側(cè)碰過程中變形較大，所以電動(dòng)汽車需要考慮安裝電池后車體側(cè)面上、下結(jié)構(gòu)剛度的差異性。

b.針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問題，選取電動(dòng)汽車側(cè)碰安全響應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)，采用均勻拉丁方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法建立了3種近似模型，并通過比較不同模型的精度選出擬合度最高的模型。

表6 初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

c.采用非支配解排序遺傳算法NSGA-II對(duì)近似模型進(jìn)行優(yōu)化，得到Pareto前沿圖，依據(jù)最小距離選解法得到滿意解并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明車身碰撞安全性和輕量化均得到有效改善。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年9月19日。

Lightweight Design of an Electric Vehicle Body Structural Parts Based on Side Crash Safety

Wang Qian1,Liu Jun1,Zhang Yajun2,Xie Shugang2
（1.Ningbo University,Ningbo 315211;2.China Automotive Technology Research Center,Tianjin 300300）

In order to achieve the lightweight design of the body structures of an electric car,structures,which have significant influence on performance,were selected by comparing the load transmission characteristics and structural deformation mode before and after installing the battery pack in the process of side crash on the premise of ensuing the security of extrusion and connection of the battery pack,then sensitivity analysis and main effect analysis were adopted to determine the materials of selected structures.A high accuracy approximated model was applied to optimize the design by multi-objective genetic algorithm.With peak intrusion of the door and mass as objectives,an optimal lightweight solution was obtained ultimately by taking intrusion amount of threshold as constraints and thickness as design variables.

Electric vehicle,Body,Crash safety,Lightweight,Multi-objective optimization

電動(dòng)汽車 車身 碰撞安全性 輕量化 多目標(biāo)優(yōu)化

U463.82

A

1000-3703（2017）02-0044-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11372148）。