基于新能源電動車雙梯度波形的截面優(yōu)化設(shè)計

李曉俊 廖 鶯 張榮榮

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司 廣東 深圳：518118)

0 引言

目前汽車行業(yè)對于節(jié)能、環(huán)保和安全的需求日益增強(qiáng)，新能源車型的開發(fā)已成為汽車工業(yè)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的必然趨勢。新能源汽車也逐步向產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)。目前，各大汽車生產(chǎn)商都以提高質(zhì)量、降低成本和縮短周期的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)為目標(biāo)。因此，新能源車型概念階段的設(shè)計、開發(fā)方法和應(yīng)用就顯得尤為重要。Wagstrom等于2005年研究了汽車前端結(jié)構(gòu)對碰撞減速度波形的影響[1]；Seo等于2009年提出了一種在汽車前期概念設(shè)計中汽車碰撞安全性的評價方法[2]；張君媛等于2012年提出在汽車開發(fā)前期，簡化雙臺階波形特征參數(shù)的確定方法，將總目標(biāo)進(jìn)行分解，為結(jié)構(gòu)斷面的設(shè)計提供了充分依據(jù)[3]；徐濤等于2010年對概念車身框架結(jié)構(gòu)的多變量截面參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究[4]。

本文提出在新能源車型開發(fā)概念階段，根據(jù)項目碰撞安全目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。首先，利用前艙布置空間尺寸，前艙空間數(shù)據(jù)庫(吸能及力傳遞路徑等)，建立整車加速度(雙梯度)矩陣,利用約束系統(tǒng)仿真，并結(jié)合實際車型情況，得出最優(yōu)加速度(雙梯度)波形[5]，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向和目標(biāo)；其次，根據(jù)車體雙梯度波形，得出前艙各個部分吸能、吸能盒和縱梁等關(guān)鍵零部件截面力設(shè)計目標(biāo)；然后，根據(jù)截面力設(shè)計目標(biāo)，對關(guān)鍵截面進(jìn)行材料、形狀、厚度、形貌優(yōu)化，最終形成車體初步尺寸，并形成截面數(shù)據(jù)庫，后續(xù)車型可以從數(shù)據(jù)庫中對比并選取相關(guān)截面，并提供設(shè)計參考和指導(dǎo)。

本文提到的方法不僅適用于車型開發(fā)概念階段，同樣適用于詳細(xì)設(shè)計階段，為其提供設(shè)計目標(biāo)。同時，提出始于前艙布置空間，終于吸能盒等主要截面優(yōu)化設(shè)計的一套完整設(shè)計思路及方法，真正實現(xiàn)“性能驅(qū)動設(shè)計”，減少對設(shè)計經(jīng)驗的依賴，減少試驗次數(shù)，大大降低試驗和人力成本。

1 車體雙梯度波形

本文主要從前艙空間、雙梯度矩陣、約束系統(tǒng)仿真三個方面闡述：在概念階段或項目中后期，利用前艙空間尺寸，并結(jié)合前艙吸能及碰撞力傳遞路徑[6]，得出車體加速度矩陣，并利用約束系統(tǒng)仿真，優(yōu)化出最優(yōu)加速度。

1.1 前艙布置空間

某新能源車型前艙布置空間如圖1所示，根據(jù)前艙空間確定并測量可變形距離。

圖1 前艙空間及測量

1.2 車體加速度矩陣

根據(jù)前艙布置空間尺寸、前圍板侵入量、結(jié)合變形比例，并利用相關(guān)程序，即可得出車體加速度矩陣。

吸能盒、縱梁前段變形比例設(shè)為三種：第一種85%、第二種80%、第三種75%；縱梁后段變形比例設(shè)為兩種：第一種 20%、第二種25%；前圍板侵入量設(shè)為兩種：第一種50mm、第二種80mm，得到設(shè)計因素和水平表(如表1所示)。

表1 設(shè)計變量和水平表

根據(jù)前艙G-D設(shè)計變量和水平表，并利用正交試驗設(shè)計方法，得到車體加速度矩陣，并通過約束系統(tǒng)對初選方案，進(jìn)行仿真評估。

1.3 約束系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

上述車體G-D矩陣，利用約束系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)整車碰撞目標(biāo)和假人傷害值，評估出合適的車體G-D曲線。乘員約束系統(tǒng)仿真結(jié)果如表2、表3、表4所示。

表2 100%正面碰撞約束系統(tǒng)駕駛側(cè)仿真結(jié)果評分(吸能盒、縱梁前段吸能比例85%)

表3 100%正面碰撞約束系統(tǒng)駕駛側(cè)仿真結(jié)果評分(吸能盒、縱梁前段吸能比例80%)

表4 100%正面碰撞約束系統(tǒng)駕駛側(cè)仿真結(jié)果(吸能盒、縱梁前段吸能比例75%)

本文以第一組為例，根據(jù)假人傷害值，并結(jié)合車體開發(fā)難度，選擇第一組第8個方案為最優(yōu)方案。

2 能量分解及關(guān)鍵截面力目標(biāo)

以前艙G-D矩陣第一組第8個方案為例，介紹相關(guān)過程。

2.1 能量分解

在設(shè)計結(jié)構(gòu)截面之前，需對前艙空間(圖2所示)做能量吸收分配，以便獲得各個分總成結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)。首先，根據(jù)G-D曲線(見圖3)，得出F-S曲線(見圖4)、E-S曲線(見圖5)，然后進(jìn)行壓潰距離能量、吸能比例分解，如表5所示。

圖2 前艙空間簡圖

圖3 G-D曲線

圖4 F-S曲線

圖5 E-S曲線

潰縮段 潰縮距離(mm) 能量(kJ) 吸能比例 △D1 211 38.1 19% △D2 149 53.4 27% △(D3+D4) 172 104 53%

2.2 關(guān)鍵截面力目標(biāo)

根據(jù)能量分解及能量吸收比例，同時考慮安全系數(shù)0.8，即可以得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)截面力設(shè)計目標(biāo)如表6所示。

表6 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)截面力設(shè)計目標(biāo)

3 關(guān)鍵截面優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)關(guān)鍵截面力設(shè)計目標(biāo)，即可進(jìn)行關(guān)鍵截面設(shè)計及優(yōu)化，包括材料、厚度、形狀、形貌等方面。碰撞性能設(shè)計目標(biāo)對關(guān)鍵截面的三個設(shè)計原則：最大穩(wěn)定載荷控制原則、平均壓潰力控制原則、變形次序控制原則。本文以吸能盒為例，介紹關(guān)鍵截面設(shè)計及優(yōu)化過程。

3.1 吸能盒材料優(yōu)化

3.1.1 各車型材料統(tǒng)計及優(yōu)化材料提取

吸能盒材料優(yōu)化前，首先統(tǒng)計四款車型吸能盒材料(如表7所示)，目的是為了充分考慮工藝、材料等可行性；其次，根據(jù)四款車型吸能盒材料，進(jìn)行材料優(yōu)化。

表7 四款車型吸能盒材料統(tǒng)計

3.1.2 材料優(yōu)化結(jié)果

利用優(yōu)化軟件，進(jìn)行材料優(yōu)化，結(jié)果如表8所示，表中方案2為最優(yōu)材料方案。

對截面賦予最優(yōu)材料，并對截面進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析。截面靜態(tài)分析包括面積、質(zhì)心、彎曲、扭轉(zhuǎn)慣性矩，如圖6所示。截面動態(tài)調(diào)用LS-DYNA求解器，主要求解該斷面梁單元的軸向壓潰特性、彎曲特性和扭轉(zhuǎn)特性，X方向的力-位移壓潰曲線如圖7所示。

表8 材料優(yōu)化結(jié)果 (單位：N)

圖6 截面靜態(tài)分析

圖7 X方向壓力-位移壓潰曲線

3.2 吸能盒靈敏度分析

在進(jìn)行截面優(yōu)化之前，可以先進(jìn)行截面靈敏度分析。以便了解截面節(jié)點和板厚的靈敏度信息。

吸能盒截面如圖8所示，靈敏度分析結(jié)果如圖9所示。

圖8 吸能盒截面形狀

圖9 節(jié)點Y/Z向、板厚靈敏度分析

從圖9中可以看出，節(jié)點79、80、81、82比較靈敏；內(nèi)外板板厚對Iy&Iz比較靈敏，尤其是外板。

3.3 吸能盒截面優(yōu)化設(shè)計

3.3.1 板厚和形狀優(yōu)化

材料優(yōu)化和靈敏度分析之后，進(jìn)行板厚和形狀優(yōu)化，主要采取靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化兩種方式。優(yōu)化思路如下：

(1)目標(biāo)

平均壓潰力≥ 134kN(已考慮安全系數(shù)0.8)

(2)優(yōu)化

先利用靜態(tài)優(yōu)化出想要的形狀，然后利用動態(tài)優(yōu)化，再進(jìn)行以力為目標(biāo)的優(yōu)化分析。

動態(tài)優(yōu)化模型信息(如圖10所示)：

a)求解器：Dyna

b)一端固定，一端用剛墻去壓。

圖10 吸能盒截面動態(tài)模型信息

3.3.2 靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)化參數(shù)

(1)靜態(tài)優(yōu)化參數(shù)

在滿足約束條件的前提下最小截面面積，通過減小截面面積來減少梁的質(zhì)量，進(jìn)而減少整車質(zhì)量，同時通過提高截面幾何特性約束條件，來提高截面的幾何特性，最后提高整車的彎扭剛度等性能。此外優(yōu)化的同時，還可以考慮沖壓制造約束，這樣是優(yōu)化后的梁截面形狀容易生產(chǎn)制造。靜態(tài)優(yōu)化參數(shù)為：

目標(biāo)：面積最小

變量：形狀、板厚

約束：Iy≥1166302mm4

Iz≥655152mm4

J≥1227141mm4

(2)動態(tài)優(yōu)化參數(shù)

以平均壓潰力為目標(biāo)，薄壁梁的質(zhì)量盡量小，最大峰值碰撞支反力低于指定的最大峰值碰撞支反力，壓潰吸能大于指定的壓潰吸能，同時沖壓約束滿足要求。動態(tài)優(yōu)化參數(shù)為：

目標(biāo)：平均壓潰力≥ 133.5kN

變量：形狀、板厚

力學(xué)約束：Fmax≤1.969×105N

E ≥1.849×107J

Mx≥1.023×107N·mm

My≥1.731×107N·mm

Mz≥1.731×107N·mm

工藝約束：SL≥1 DA≥1 CR≥1(可根據(jù)實際工藝要求確定)

3.3.3 靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)動、靜態(tài)約束及目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表9所示。

表9 截面靜、動態(tài)優(yōu)化結(jié)果

吸能盒截面動態(tài)優(yōu)化變形結(jié)果和力-位移(F-S)曲線如圖11、圖12所示。

圖11 吸能盒截面動態(tài)優(yōu)化變形

圖12 吸能盒截面動態(tài)優(yōu)化F-S曲線

吸能盒動態(tài)優(yōu)化力學(xué)目標(biāo)滿足，但從動態(tài)優(yōu)化變形圖中得出，變形還有優(yōu)化空間。因此，基于吸能盒截面動態(tài)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)一步分析板厚變化，對截面力和變形的影響(如表10、圖13所示)。

表10 截面厚度變化

圖13 吸能盒截面板厚2變形圖

結(jié)合變形圖和力學(xué)目標(biāo)，并考慮安全系數(shù)，選擇板厚2為最優(yōu)方案。

吸能盒截面優(yōu)化前后截面性能及碰撞力學(xué)性能對比，如表11所示。

表11 吸能盒截面優(yōu)化前后性能對比

3.4 形貌優(yōu)化

根據(jù)上文得出的優(yōu)化出的最優(yōu)方案模型為基礎(chǔ)模型，進(jìn)行形貌優(yōu)化[7]。形貌優(yōu)化采用等效靜態(tài)載荷法(Equivalent Static Load Method，ESLM)，此方法已被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，同時也可用于非線性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即把非線性分析結(jié)果的動態(tài)載荷迭代歷程或者時間歷程轉(zhuǎn)化成多組等效靜態(tài)載荷。碰撞即為非線性分析，因此采用ESLM方法進(jìn)行形貌優(yōu)化[4]。

采用板厚2模型進(jìn)行吸能盒的形貌優(yōu)化，優(yōu)化前后結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 吸能盒形貌優(yōu)化前圖形

圖15 吸能盒形貌優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)吸能盒截面材料、料厚、形狀、形貌優(yōu)化，可完成吸能盒零部件設(shè)計。

4 結(jié)論

本文根據(jù)車體碰撞目標(biāo)，從前艙布置空間出發(fā)，得出車體雙梯度波形，進(jìn)而確定主要截面的截面力設(shè)計目標(biāo)，并根據(jù)截面力目標(biāo)，進(jìn)行截面材料、料厚、形狀、形貌優(yōu)化。

(1)根據(jù)前艙布置空間、吸能及碰撞力傳遞路徑，建立車體雙梯度波形矩陣，并結(jié)合乘員約束系統(tǒng)仿真，優(yōu)化出最優(yōu)車體雙梯度波形；

(2)根據(jù)車體雙梯度波形，得出前艙各個部分吸能、以及吸能盒和縱梁等主要截面的截面力設(shè)計目標(biāo)；

(3)根據(jù)截面力設(shè)計目標(biāo)，對主要截面進(jìn)行材料、形狀、厚度、形貌優(yōu)化，最終形成車體初步尺寸；

(4)形成截面數(shù)據(jù)庫，后續(xù)車型可以從數(shù)據(jù)庫中對比并選取相關(guān)截面，為截面設(shè)計提供參考和指導(dǎo)。

[2] Seo B, Han S, Kim W, et al. Performance Analysis Methodology Based on Crash Pulse Severity and Vehicle Occupant Packaging for Full Frontal Crash Event[C] ∥PROCEEDINGSOFTHE 21ST(ESV) INTERNATIONAL TECHNICAL CONFERENCE ON THE ENHANCED SAFETY OF VEHICLES,HELD JUNE 2009, STUTTGART, GERMANY, 2009.

[3] 張君媛,陳光,劉樂丹,等.乘用車結(jié)構(gòu)正面抗撞性波形設(shè)計與目標(biāo)分解[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2012,42(4):823-827.

[4] 徐濤,左文杰,徐天爽,等.概念車身框架結(jié)構(gòu)的多變量截面參數(shù)優(yōu)化[J].汽車工程,2010，5(32):394-398．

[5] 黃金陵.汽車車身設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[6] 邱少波．汽車碰撞安全工程[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社,2016．

[7] Optistruct & HyperStudy 理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012．