電動車仿生鋁防撞梁耐撞性設(shè)計

張友國，宋小文，李卓富，楊飛飛

（1.愛馳汽車（上海）有限公司，上海 201821；2.浙江大學(xué)，杭州 310058；3.浙江零跑科技有限公司，杭州 310051）

電動汽車受限于電池儲能量，續(xù)航能力飽受消費者質(zhì)疑。車越輕，續(xù)航里程越大，電動汽車的競爭力也越大。鋁質(zhì)防撞梁因輕量化效果明顯且在汽車正面碰撞中的碰撞性能優(yōu)異，在Audi A8、Bentley Bentayga、Alfa Romeo Giulia等中高端車型上應(yīng)用廣泛。越來越多的研究致力于鋁防撞梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，而仿生結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更是一個重點。

徐中明等[1]運用Optistruct法對鋁合金防撞梁截面進行拓?fù)鋬?yōu)化，確定防撞梁在靜態(tài)受載荷情況下的最優(yōu)截面形狀為“日”字形，鋁合金防撞梁減重效果達到38.4%。WANG Dengfeng等[2]研究了“日”字形和“目”字形鋁防撞橫梁的剛度和耐撞性，得出后者的性能更優(yōu)，但重量更大。TAO Xu等[3]將蒲草、竹子等仿生截面應(yīng)用在前防撞梁和吸能盒上，吸能效果明顯。ZHANG Linwei等[4]研究了甲殼蟲殼表面的多邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，設(shè)計了18種仿生多孔管的防撞梁吸能盒結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)八角形的多孔管防撞梁吸能盒碰撞效果最好。

受仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化碰撞性能的啟發(fā)，在汽車鋁防撞橫梁設(shè)計中引入4種生物仿生結(jié)構(gòu)，利用CAE汽車碰撞模擬仿真法，研究仿生截形的鋁防撞梁提升耐撞性的可行性，并通過對比不同仿生截形的變化分析對性能提升的影響。

1 前碰理論

在汽車正面全寬高速碰撞試驗中，碰撞過程能量守恒，大部分動能轉(zhuǎn)化為車身鈑金的變形能。

式中：E為正面碰撞能量，kJ；m為質(zhì)量，kg；v0為碰撞初速度（約為50 km/h）；F為碰撞載荷，N；v為過程速度，m/s；t為碰撞時間，s；T為總的碰撞時間，s。

前置前驅(qū)電動汽車前部主要部件的典型布置，如圖1所示，前艙內(nèi)硬點主要是電機、變速器和控制模塊。與傳統(tǒng)汽油車相比，電動汽車動力總成所占用的空間較小，前部變形空間較大。汽車碰撞時主要有4個壓潰變形空間，分別為S1、S2、S3和S4。理想情況下，4個變形區(qū)依次壓潰，S1壓潰后，分別到S2、S3和S4。截面力F1＜F2＜F3＜F4，平均加速度a1＜a2＜a3＜a4。

圖1 前置前驅(qū)電動汽車前部主要部件的典型布置

B柱加速度是衡量汽車碰撞安全性的重要參數(shù)。它關(guān)乎乘員碰撞時受到的傷害值，以及安全氣囊點爆時間。正面碰撞時典型的B柱加速度曲線，如圖2所示，圖中4個峰值a1max、a2max、a3max、a4max分別和圖1中的4個壓潰變形區(qū)間對應(yīng)。

圖2 典型正面碰撞B柱加速度曲線

2 仿真模型

2.1 不同仿生截面

為了探究仿生截面對防撞梁的影響，從自然界典型的承力結(jié)構(gòu)中借鑒了梯度形、蝸牛殼形、蜘蛛網(wǎng)形和胚胎球形得到4種不同的截面B、C、D、E方案，并與對照組A進行對比（圖3）。這4種仿生截面保留了生物體原有的基本特征，并進行抽象和重構(gòu)。

梯度形設(shè)計是生物材料普遍采用的基本性能優(yōu)化策略之一，可獲得梯度變化的力學(xué)性能，實現(xiàn)局域剛度、強度與韌性的優(yōu)化分布和相互匹配[5-6]；蝸牛殼作為蝸牛的“房子”，能承受比自重大2200倍的壓力，為蝸牛免受其它生物的傷害和沖擊提供了有力的保護[7]，這和貝殼仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性類似[8]；蜘蛛網(wǎng)所具有的獨特幾何外形，具有較高的強度和柔性[9]；胚胎球形是大部分卵生動物或哺乳動物在母體胚胎時的形態(tài)，當(dāng)受到?jīng)_擊時，能最大程度地分散吸收的能量以減少損傷[10]。

圖3 防撞橫梁仿生截面

2.2 建模和仿真

本模型基于一款兩座高速電動汽車的工況進行分析，整備質(zhì)量約為933 kg，防撞梁中心線離地間隙h= 455 mm，模擬正面碰撞速度為50 km/h，壁障等碰撞模型依據(jù)GB 11551—2014汽車正面碰撞的乘員保護，如圖4所示。

圖4 簡化的正面碰撞模型

側(cè)重探究了鋁合金防撞梁仿生截面對汽車全寬正面碰撞（FFB）的影響。為了減少弱相關(guān)因素的影響，簡化了模型：選擇x向長度D1=200 mm的前防撞梁總成，以及前縱梁D1=400 mm長的數(shù)據(jù)作為碰撞零件，將車體其它部分簡化為一個長方體。分析時重點關(guān)注前防撞梁和縱梁前段變形區(qū)壓潰的仿真結(jié)果。

在偏置碰撞（ODB）工況下，良好的防撞橫梁剛度能使碰撞力較均勻地傳遞到左右前縱梁，從而對碰撞結(jié)果產(chǎn)生積極影響。因此，同時建立了三點彎曲模型對防撞橫梁的靜態(tài)剛度進行分析，如圖5所示。

式中：k為彎曲剛度，N/mm；F=1000 N為施加在橫梁上的作用力；δ為由力產(chǎn)生的最大位移，mm。

圖5 防撞橫梁三點彎曲模型

利用Hypermesh軟件建立有限元模型，零部件網(wǎng)格主要采用四邊形殼單元模擬，網(wǎng)格平均尺寸為5 mm；防撞梁總成內(nèi)部的縫焊連接采用Rigid單元模擬，防撞梁總成和縱梁之間的螺栓連接也采用Rigid單元模擬，縱梁內(nèi)板和縱梁外板之間的點焊焊接采用六面體單元模擬。使用Radioss軟件進行非線性求解，各主要零件的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 各主要零件的力學(xué)性能參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果和分析

分別對對照組防撞梁和4種仿生截面防撞梁對應(yīng)的模型在同等計算條件下進行求解。

從碰撞變形來看，方案A、方案B、方案E的防撞橫梁兩端完全壓潰，而方案C、方案D的防撞橫梁兩端并未完全變形；從碰撞橫梁中間區(qū)域的位移量來看，方案A和方案E的位移量最大，方案B的位移量最小，不同截面防撞梁的碰撞變形如圖6所示。從彎曲剛度的計算結(jié)果來看，如圖7所示，方案A的彎曲剛度最小，方案B和方案E的彎曲剛度相差不大，方案C和方案D的彎曲剛度最大，基本和正面碰撞時橫梁的變形模式吻合。

圖6 碰撞15 ms時的變形圖

圖7 防撞橫梁的彎曲剛度

如圖8所示，曲線為5個方案碰撞壓潰過程中的防撞橫梁吸能量。分析5條吸能曲線，總吸能量大小順序為：梯度形＞ 蜘蛛網(wǎng)形＞胚胎球形＞蝸牛殼形>對照模型。

5個方案碰撞前20 ms的B柱加速度變化曲線如圖9所示。圖中B柱加速度達到最大時，是吸能盒壓潰后的加速度值。根據(jù)工程經(jīng)驗值，在前20 ms防撞梁壓潰的過程中，B柱加速度值在275～343 m/s2之間比較理想。過大，則對乘員傷害加大；過小，則影響安全氣囊的及時點爆。

圖8 防撞橫梁吸能量

對比碰撞過程，分析圖9的加速度曲線可以發(fā)現(xiàn)，方案A和方案B的峰值都超過了343 m/s2，而方案C、方案D和方案E的峰值都在理想?yún)^(qū)間內(nèi)。從壓潰需要的時間來看，梯度形壓潰時間最長，而對照模型壓潰時間最短。

圖9 碰撞前20 ms的B柱加速度變化曲線

對于防撞梁方案優(yōu)劣的評估，最重要的4個評估因素分別是輕量化、B柱加速度、吸能量大小和橫梁彎曲剛度。5個方案的評估參數(shù)見表2。

表2 A～E方案的評估參數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)方法，將各評估參數(shù)的工程數(shù)值依照線性一次方程量化為得分：質(zhì)量從1.5 kg到3 kg得分分別為10～6分；綜合車身結(jié)構(gòu)耐撞性以及約束系統(tǒng)匹配要求，設(shè)定加速度在275～343 m/s2評為10分，343～392 m/s2得分分別為10～6分，245～275 m/s2得分分別為6～10分；結(jié)合前防撞梁吸能量對碰撞的影響，設(shè)定吸能量4.5～10 kJ得分分別為6～10分，吸能3～4.5 Jk得分分別為3～6分；結(jié)合彎曲剛度對偏置碰撞時均勻分配力的影響，設(shè)定剛度值0～6000 N/mm得分分別為0～6分，剛度值6000 ～18000 N/mm得分分別為6～10分。

建立數(shù)學(xué)模型。對于多變量的方程，如式（3）所示。

式中：Y是方案的綜合得分，滿分是10分；自變量X1、X2、X3、X4分別為質(zhì)量、加速度、防撞橫梁吸能量和彎曲剛度的得分；a、b、c、d則是相關(guān)性系數(shù)，根據(jù)本項目的偏好與側(cè)重點，取值分別定義為35%、20%、30%和15%。各方案的綜合得分見表3。

表3 A～E方案的綜合得分

由表3可知，方案E的綜合得分最高，為8.57分，在幾個仿生截面中最符合本項目的設(shè)計目標(biāo)要求。與對照組-口字形防撞梁相比，E方案質(zhì)量增加18%，防撞橫梁吸能量增加37%，最大加速度降低13.8%為314.5 m/s2，在理想目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的彎曲剛度則提升16.3%。

3 胚胎球形的進一步分析

3.1 不同球形數(shù)量和排布對碰撞的影響

以上研究對比了4種仿生截面對防撞梁的正面碰撞影響，從而得出胚胎球形是最佳方案。將具有胚胎球形截面的防撞梁結(jié)構(gòu)作為測試對象，探索了不同數(shù)量的胚胎球形對防撞梁耐撞性仿真結(jié)果的影響。

建立數(shù)學(xué)模型：

式中：Y(β,)δ為目標(biāo)函數(shù)，它也是式（3）中的方案綜合得分；,β為不同球形數(shù)量和排布；)δ為防撞橫梁不同區(qū)域的料厚。

為探究不同數(shù)量胚胎球形在防撞橫梁腔體內(nèi)的不同排布對正面碰撞的影響，先取 )δ=2。為了簡化計算過程，又設(shè)計了2個球形、3個球形、4個球形、5個球形共4個方案與1個球形方案進行對比，如圖10所示。

圖10 防撞梁不同球形數(shù)量和排布

由LS-DYNA仿真計算后得出各方案的碰撞變形結(jié)果，如圖11所示。由圖可知，方案E、E1、E3的防撞橫梁兩端壓潰變形良好，方案E2和E4防撞橫梁兩端變形不夠充分。各方案防撞橫梁的彎曲剛度結(jié)果如圖12所示，從E、E1、E2、E3到E4，彎曲剛度逐漸提升，基本和正面碰撞時橫梁的變形模式吻合。

各方案的評估參數(shù)見表4。由表可知，在防撞橫梁吸能量方面，吸能最多的是方案E3，吸能量為8.35 kJ；在碰撞20 ms內(nèi)加速度的表現(xiàn)方面，方案E和E1是最優(yōu)的；在質(zhì)量和彎曲剛度方面，球形數(shù)量越多，質(zhì)量越大，彎曲剛度越大。

表4 E～E4方案的評估參數(shù)

圖11 碰撞15 ms時的變形圖

圖12 防撞橫梁的彎曲剛度

根據(jù)式（3）的計算方式，各方案的綜合得分見表5。

表5 E～E4方案的綜合得分

從力的傳遞路徑角度分析，E、E1和E3由于傳力路徑是直線，容易壓潰；E2的3個球形組成三角形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不容易壓潰變形；E4更是組成了兩個穩(wěn)定的三角形穩(wěn)定路徑，如圖13所示。從幾個方案的碰撞變形結(jié)果，以及吸能量的大小來看，也驗證了這一點。

圖13 受力分析圖

由上文可知：（1）方案E1的兩個球形防撞橫梁的綜合得分最高，為8.75分，在幾種球形排布方案中最符合本項目的設(shè)計目標(biāo)要求。（2）在受到同樣沖擊載荷的情況下，球形沿著受力方向“一”字形排布，比三角形排布方式更有利于壓潰變形。（3）在球形沿著受力方向“一”字形排布時，如果壓潰變形良好，那么球的數(shù)量越多，吸收的能量越多。

3.2 不同厚度對碰撞的影響

在方案E1的基礎(chǔ)上，僅通過更改兩個球形防撞橫梁的不同料厚組合，研究料厚對碰撞結(jié)果的影響。結(jié)果表明，如果料厚太厚，壓潰變形不充分，吸能水平降低；如果料厚太薄，則可壓潰的材料不足，吸能量也會降低。

4 結(jié)論

通過模擬仿真，對基于仿生形狀截面的鋁合金前防撞梁的正面碰撞進行了系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論。

（1）研究了梯度形、蝸牛殼形、蜘蛛網(wǎng)形和胚胎球形4種不同的截形防撞梁應(yīng)用在兩座電動汽車上時對正面碰撞的影響。綜合考慮輕量化、碰撞加速度、防撞橫梁的吸能量和彎曲剛度，發(fā)現(xiàn)胚胎球形截面防撞梁的設(shè)計能夠使前防撞梁的傳力更合理，提高耐撞性能和吸能效果。與對照組口字形防撞梁相比，防撞橫梁的質(zhì)量增加18%，能量增加37%，最大加速度降低13.8%為314.5 m/s2，剛好在理想的目標(biāo)區(qū)間內(nèi)，而彎曲剛度則提升16.3%。

（2）為了探究不同球形數(shù)量在防撞橫梁腔體內(nèi)的不同排布對正面碰撞的影響，又設(shè)計了2個球形、3個球形、4個球形、5個球形共4個方案的仿真計算，再將其結(jié)果與1個球形方案進行對比，得出2個球形方案的綜合得分最高。與1個球形方案對比，2個球形方案的防撞橫梁質(zhì)量幾乎不增加，加速度仍然在理想范圍內(nèi)，但是吸能量增加14.5%，剛度提升0.5%。

（3）對于每個車型的鋁防撞橫梁，其耐撞性一般都有最優(yōu)匹配值。在材料和結(jié)構(gòu)不變的情況下，防撞梁的料厚過厚或者過薄都會減少正面碰撞的吸能量。

（4）根據(jù)分析結(jié)果，未來將搭載新的造車項目，把仿生截面應(yīng)用到鋁防撞橫梁中進行實車試驗。