汽車平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)過程中安全性能的設(shè)計(jì)和仿真

周丹鳳　李德根　涂金剛

摘要： 為實(shí)現(xiàn)汽車平臺(tái)化開發(fā)策略，在平臺(tái)內(nèi)不同車型間最大程度共用底盤、下部車身、動(dòng)力總成、電器架構(gòu)和內(nèi)飾骨架等部件，探索碰撞安全平臺(tái)化設(shè)計(jì)的思路和方法。在對(duì)國(guó)內(nèi)外安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，制定平臺(tái)安全性能目標(biāo)和開發(fā)策略。正向開發(fā)搭建完整的汽車平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用CAE仿真分析進(jìn)行平臺(tái)內(nèi)車型碰撞安全性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終達(dá)成平臺(tái)安全性能開發(fā)的目標(biāo)要求。在此基礎(chǔ)上總結(jié)整理碰撞安全平臺(tái)化開發(fā)設(shè)計(jì)流程，供后續(xù)平臺(tái)開發(fā)項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：平臺(tái)化開發(fā)；框架；碰撞安全；正向開發(fā)

中圖分類號(hào)： U461.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：In order to realize the strategy of vehicle platform development， and to maximally share parts among different types of vehicles on platform， such as chassis， lower body， power assembly， electrical structure， interior frame， and so on， the thinking and methods of platform design for impact safety are explored. Based on the analysis of development trend of safety regulations and standards at home and abroad， the platform security performance target and development strategies are made. A complete vehicle platform frame structure in forward development is built， and the design optimization on impact safety performance of vehicle in the platform is analyzed using CAE simulation. The target requirement on platform security performance development is reached finally. The design process of impact safety development platform is arranged. It can supply reference for the platform development project.

Key words：platform development； frame； impact safety； forward development

0 引 言

汽車平臺(tái)化開發(fā)在國(guó)外汽車企業(yè)中已得到較成熟的發(fā)展和推廣，是大勢(shì)所趨。平臺(tái)化開發(fā)將同平臺(tái)車型下部車身和絕大部分底盤設(shè)計(jì)固定，使設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在同平臺(tái)車型中可以得到很好的傳承。這不僅可以減少單個(gè)車型的設(shè)計(jì)缺陷、縮短開發(fā)周期，而且還可以減少后期樣車試制和性能驗(yàn)證的試驗(yàn)費(fèi)用，從而降低平臺(tái)車型的研發(fā)成本，使車型具有穩(wěn)定的性能，使企業(yè)具有更好的盈利模型，快速響應(yīng)市場(chǎng)、搶占先機(jī)。

碰撞安全性是整車開發(fā)關(guān)注的重要性能之一，在平臺(tái)框架搭建和前期開發(fā)階段對(duì)其進(jìn)行充分的研究具有重要意義。本文以某平臺(tái)開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析碰撞安全平臺(tái)化設(shè)計(jì)的思路和方法，對(duì)平臺(tái)開發(fā)前期概念設(shè)計(jì)階段的安全性能開發(fā)進(jìn)行解析。

1 汽車平臺(tái)化開發(fā)的定義

1.1 平臺(tái)化開發(fā)定義

汽車的平臺(tái)化開發(fā)就是在開發(fā)過程中用相似度很高的底盤和下部車身結(jié)構(gòu)，同時(shí)支持不同類型汽車的開發(fā)，后期不同車型產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造都可以共用一條生產(chǎn)線，所生產(chǎn)出的車型外形和功能不盡相同。這樣可以使得設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)工藝和主要構(gòu)件實(shí)現(xiàn)資源平臺(tái)化共享。

1.2 汽車平臺(tái)化開發(fā)的范圍

平臺(tái)化開發(fā)的基礎(chǔ)是平臺(tái)化部件開發(fā)。從產(chǎn)品子系統(tǒng)分塊角度劃分，平臺(tái)化開發(fā)研究范圍（見圖1）大致可規(guī)劃為如下幾個(gè)系統(tǒng)：（1） 下部車身系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙骨架總成、前后地板骨架總成和門檻總成等；（2） 底盤系統(tǒng)，包括懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車架總成和四驅(qū)系統(tǒng)等；（3） 內(nèi)外飾系統(tǒng)，包括座椅骨架系統(tǒng)和儀表橫梁系統(tǒng)等；（4） 動(dòng)力總成集成系統(tǒng)，包括發(fā)（動(dòng)機(jī)）變（速）系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等；（5） 電器系統(tǒng)，包括電器架構(gòu)系統(tǒng)和線束能源系統(tǒng)等。[1]

2 汽車碰撞安全平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)策略

在平臺(tái)開發(fā)初期，應(yīng)明確該平臺(tái)所開發(fā)產(chǎn)品的預(yù)售市場(chǎng)及其在所銷售市場(chǎng)的定位，也就是所謂的目標(biāo)市場(chǎng)和產(chǎn)品定義。針對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)未來5～10 a的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，并且根據(jù)現(xiàn)狀對(duì)安全定義的目標(biāo)進(jìn)行可行性評(píng)估，確定能否通過可行的技術(shù)提升滿足未來幾年上市產(chǎn)品所定義的目標(biāo)。

2.1 安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)及平臺(tái)化研究的重點(diǎn)

目前，世界各國(guó)、各地區(qū)都有相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)，但歸納起來，所有汽車安全性技術(shù)法規(guī)可分為兩大體系，即歐洲體系和美國(guó)體系，兩者的考察范圍不盡相同，具體如下。

（1） 美國(guó)FMVSS中的碰撞工況最復(fù)雜，考慮的范圍較為廣泛：碰撞方面包括100%正面碰撞、角度碰撞和40%偏置碰撞；乘員方面考慮大個(gè)子男性、小個(gè)子女性和是否系安全帶等。FMVSS碰撞試驗(yàn)分為前碰、側(cè)碰、后碰和動(dòng)態(tài)翻滾等。

（2） 歐洲ECE工況較為簡(jiǎn)明，前碰包括100%正碰和40%偏置碰撞，側(cè)碰包括50 km/h側(cè)碰和29 km/h柱碰，但是新增加了對(duì)行人保護(hù)的相關(guān)法規(guī)。

隨著全球化進(jìn)程的推進(jìn)，全球的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)逐漸相互融合、相互彌補(bǔ)。中國(guó)的C-NCAP修訂歷程顯示出逐步向Euro NCAP靠攏的趨勢(shì)，有望增加側(cè)面柱碰工況。Euro NCAP計(jì)劃將100%全剛性墻正面碰撞納入新車評(píng)價(jià)體系中，側(cè)面柱碰工況也將參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)提速至32 km/h；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)也逐步考慮對(duì)行人保護(hù)的相關(guān)要求。綜合上述發(fā)展趨勢(shì)，平臺(tái)未來開發(fā)車型應(yīng)將50 km/h正碰、64 km/h偏置碰、側(cè)碰和柱碰工況納入考察范圍。[2-3]平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)階段重點(diǎn)關(guān)注2個(gè)前碰工況，側(cè)碰和柱碰涉及上部車身結(jié)構(gòu)較多，故在整車設(shè)計(jì)階段完成，此處不予考慮。

2.2 平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)中安全性能目標(biāo)的制定及開發(fā)策略

安全性開發(fā)可以歸納為兩大方向：一是主動(dòng)安全開發(fā)，二是被動(dòng)安全開發(fā)。主動(dòng)安全開發(fā)多涉及電器和底盤的設(shè)計(jì)，主要是提升車型整體配置檔次和人性化需求，與架構(gòu)關(guān)系不大；被動(dòng)安全開發(fā)涉及框架和布置等基礎(chǔ)開發(fā)和約束系統(tǒng)匹配的問題，與平臺(tái)架構(gòu)密切相關(guān)，需在前期設(shè)計(jì)中考慮周到。對(duì)于平臺(tái)化開發(fā)過程中的安全性能來說，整體的實(shí)現(xiàn)策略是平臺(tái)內(nèi)各款車型采用相似度很高的下部車身架構(gòu)，通過不同配置和造型實(shí)現(xiàn)車型差異化，確保平臺(tái)內(nèi)車型均達(dá)標(biāo)。

平臺(tái)安全目標(biāo)的制定應(yīng)該有自上而下的策劃過程，明確產(chǎn)品定義對(duì)安全性的要求，從而解讀被動(dòng)安全的碰撞星級(jí)要求。根據(jù)具體的星級(jí)要求，結(jié)合未來的發(fā)展趨勢(shì)，制定能夠滿足前瞻性的安全結(jié)構(gòu)方面的具體衡量指標(biāo)和相關(guān)目標(biāo)值，以此目標(biāo)值作為平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)的安全性能目標(biāo)。平臺(tái)框架的碰撞安全表現(xiàn)以此安全性能目標(biāo)為衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)。

在架構(gòu)開發(fā)過程中，要有明確的策略實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的變化。平臺(tái)內(nèi)各車型的差異通過可變區(qū)域調(diào)整，見圖3。（1） 前、后懸架的長(zhǎng)短差異可變換整車前、后部造型；（2） 軸距的長(zhǎng)短差異可實(shí)現(xiàn)整車大小等級(jí)的調(diào)節(jié)和乘員艙空間的調(diào)整；（3） 懸架長(zhǎng)短和輪胎型號(hào)的變換可實(shí)現(xiàn)離地間隙和整車高度的變化。這些變化在同一平臺(tái)均可實(shí)現(xiàn)，即平臺(tái)具有包容性。與此同時(shí)，平臺(tái)設(shè)計(jì)中還存在不可變區(qū)域，此部分的布置和設(shè)計(jì)對(duì)平臺(tái)內(nèi)所有車型是一致的，也是平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于一個(gè)平臺(tái)會(huì)涉及平臺(tái)內(nèi)所有車型的沿用，其優(yōu)點(diǎn)可以繼承，其缺點(diǎn)亦會(huì)并存，因此不可變區(qū)域的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在前期開發(fā)階段首先要明確平臺(tái)內(nèi)的軸距、整車質(zhì)量和具體車型動(dòng)力總成等輸入，然后根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)綜合考慮質(zhì)量、高度和軸距，設(shè)計(jì)能夠承載產(chǎn)品定義帶寬內(nèi)的各車型的整車平臺(tái)安全架構(gòu)。對(duì)于整個(gè)平臺(tái)而言，要求在允許的情況下各車型零部件盡量通用，但也不乏一些特殊車型的某些特殊要求，考慮車型局部差異化。

圖3中的前懸可變區(qū)域與輪心到前擋板的不可變區(qū)域是平臺(tái)安全碰撞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵區(qū)域。首先，合理利用前懸可變形空間的壓潰，最大程度吸收碰撞能量；然后，合理設(shè)計(jì)不可變區(qū)域的空間布置，減緩載荷對(duì)乘員艙的沖擊；最后，設(shè)計(jì)穩(wěn)固的乘員艙結(jié)構(gòu)，保護(hù)乘員生存空間，從而在碰撞時(shí)控制對(duì)乘員的傷害。

2.3 平臺(tái)開發(fā)中安全策略的實(shí)施方案

在整個(gè)平臺(tái)開發(fā)過程中，安全策略具體實(shí)施方案的制定要因地制宜。因平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)中主要涉及前碰的關(guān)鍵部件，故以前碰為例進(jìn)行具體介紹。

前碰安全開發(fā)的主要影響因素有整車高度、質(zhì)量，前艙的碰撞空間以及乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性等，重點(diǎn)考慮主要傳力路徑的搭建和具體關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)前碰分析模塊，提取關(guān)鍵維度，根據(jù)質(zhì)量要求對(duì)分析維度提出具體的屬性要求。因此，需要大量的概念分析研究，才能制定能夠滿足目標(biāo)的具體設(shè)計(jì)方案。前碰關(guān)鍵因素示意見圖4。

（1） 前部碰撞空間。前部碰撞空間是前碰的主要吸能區(qū)域，碰撞產(chǎn)生的能量主要通過這部分空間

的變形來吸收，從而降低對(duì)乘員艙的破壞和對(duì)乘員的傷害。保證合理的碰撞空間是前碰的必要條件。

（2） 整車高度差異。一個(gè)平臺(tái)需要考慮不同車型的規(guī)劃，例如轎車、SUV、HB和MPV等。平臺(tái)內(nèi)車型之間的整車高度有差異，在前部偏置碰中會(huì)出現(xiàn)縱梁與壁障的重合率不同，由此帶來整車載荷分布的差異。對(duì)于同一個(gè)車身，必須兼顧不同狀態(tài)下的傳力穩(wěn)定性，例如可以將前?？偝傻奈芎性O(shè)計(jì)成單側(cè)傾斜，在組裝時(shí)不同車型的前?？偝烧b或反裝以適應(yīng)整車高度差異。

（3） 傳力路徑。平臺(tái)內(nèi)主要的縱向框架路徑均屬于前碰力的傳遞路徑。前艙最主要的傳力吸能框架是2根縱梁；上縱梁作為輔助路徑也起到傳力作用，往乘員艙方向延伸；地板縱梁、門檻和中通道均屬于關(guān)鍵的傳力路徑。必須確保這些主要平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)能夠順暢地傳力和合理地變形，所以要求其框架應(yīng)具有必要的完整性和延續(xù)性。

除此之外，前碰關(guān)鍵件和乘員艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也非常重要。按照前述設(shè)計(jì)要求對(duì)其初步框架進(jìn)行搭建，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化借助CAE仿真手段，權(quán)衡其在平臺(tái)內(nèi)不同車型中的綜合表現(xiàn)。

3 平臺(tái)化開發(fā)CAE仿真設(shè)計(jì)思路

3.1 前碰框架的設(shè)計(jì)

前碰主要涉及2個(gè)工況，即100%剛性墻碰撞和40%重疊壁障偏置碰撞。根據(jù)不同法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，有的可能考察其中之一（如GB、Euro NCAP），有的2個(gè)工況都需要考察（如C-NCAP）。在車型開發(fā)階段，兩者都需要考慮。在汽車前部碰撞過程中，車內(nèi)乘員的損傷主要來自于幾個(gè)方面的作用和相互作用，包括巨大的車身減速度對(duì)乘員造成的沖擊、車身乘員艙結(jié)構(gòu)變形對(duì)乘員生存空間的侵占、乘員在車內(nèi)發(fā)生二次碰撞等。

前碰框架的設(shè)計(jì)既要考慮在100%正碰中前艙空間能夠穩(wěn)定壓潰，又要保證在40%偏置碰撞中壁障先于整車變形，吸收更多碰撞能量。車輛前碰設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能利用前艙的有效可變形碰撞空間，最大程度地吸收碰撞能量，使碰撞造成的乘員艙變形盡量小。碰撞安全的基本原理即能量守恒原理，見圖5。

除碰撞能量吸收外，前碰的重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則還包括載荷傳遞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。完整的框架設(shè)計(jì)使碰撞產(chǎn)生的力能夠順暢傳遞，并合理地分布，見圖6。牢籠式“O”型結(jié)構(gòu)見圖7，該設(shè)計(jì)可使乘員艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，保證足夠的生存空間。

3.2 前碰CAE虛擬仿真設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

CAE虛擬仿真是項(xiàng)目概念設(shè)計(jì)的有效手段。概念設(shè)計(jì)階段首先設(shè)計(jì)關(guān)鍵零部件和子系統(tǒng)，零部件的截面大小、形狀和力學(xué)特征均需在CAE虛擬仿真中進(jìn)行研究，在零部件子系統(tǒng)分析中得到較為理想的結(jié)構(gòu)后進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證可穩(wěn)定變形的零部件才能搭載到完整的平臺(tái)框架中，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的匹配與調(diào)整。綜合考慮平臺(tái)的容量，定義模型整備質(zhì)量為平臺(tái)最大質(zhì)量，動(dòng)力總成以規(guī)劃主銷為主要分析對(duì)象，同時(shí)考慮不同高度車型的碰撞表現(xiàn)。綜合不同高度車型的表現(xiàn)對(duì)前碰的2個(gè)工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這也是平臺(tái)碰撞安全開發(fā)的難點(diǎn)，需要大量循環(huán)往復(fù)的分析計(jì)算尋找方案。綜合平臺(tái)內(nèi)不同高度車型的碰撞變形形式，其中高度差異對(duì)前部偏置碰的影響尤為明顯，涉及整車傳力路徑、壁障不同碰撞塊的接觸和力的傳遞問題。最終得到一個(gè)魯棒性較好的結(jié)構(gòu)，其在不同高度下偏置碰的車身結(jié)構(gòu)變形基本保持一致，從而保證平臺(tái)內(nèi)車型碰撞結(jié)果的一致性。[4-6]

仿真設(shè)計(jì)方案在碰撞中的實(shí)際表現(xiàn)需要通過試驗(yàn)驗(yàn)收和評(píng)價(jià)。平臺(tái)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案仿真分析完成后進(jìn)行Mule Car試驗(yàn)，驗(yàn)證前期設(shè)計(jì)的有效性，確保平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)入實(shí)際工程設(shè)計(jì)階段之前安全性能達(dá)標(biāo)，為后期工程設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。平臺(tái)安全性開發(fā)流程見圖8。

3.3 SUV和轎車前部偏置碰表現(xiàn)對(duì)比

通過上述仿真優(yōu)化，最終不僅需要得到滿足目標(biāo)值要求的結(jié)果，更希望得到在碰撞過程中可以同時(shí)承載不同車型差異的平臺(tái)架構(gòu)。這就要求在考慮不同車型高度差異時(shí)平臺(tái)框架保持相同的變形模式，反應(yīng)到最終表現(xiàn)形式上即同平臺(tái)內(nèi)不同車型車身加速度波形趨勢(shì)和峰值保持在可接受范圍內(nèi)，乘員艙侵入量基本保持一致。以前部偏置碰工況為例展示該平臺(tái)框架SUV和轎車車型的表現(xiàn)，其車身加速度波形對(duì)比和乘員艙侵入量對(duì)比分別見圖9和10。

不同車型高度的差異對(duì)偏置碰中加速度波形和前擋板乘員腳部區(qū)域位移影響較小，通過兼容式設(shè)計(jì)可基本保持SUV和轎車碰撞結(jié)果一致。

4 結(jié)束語

介紹汽車平臺(tái)化開發(fā)的范圍和意義，闡述平臺(tái)化開發(fā)策略和具體的實(shí)施方案，從仿真角度對(duì)汽車碰撞平臺(tái)化開發(fā)流程進(jìn)行分析，提出汽車碰撞安全性能平臺(tái)化開發(fā)的思路和方法，由此可大大縮短車型研發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。對(duì)于未來的市場(chǎng)導(dǎo)向，還應(yīng)該在平臺(tái)開發(fā)中將新能源車型進(jìn)行同步規(guī)劃，以適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)新能源車的需求，并結(jié)合新材料、新工藝的發(fā)展，考慮車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[7-8]。

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（編輯 武曉英）