純電動汽車MPDB碰撞仿真工況車體結構優(yōu)化

楊 楊，張 洋，王金龍，張 琪 Yang Yang，Zhang Yang，Wang Jinlong，Zhang Qi

純電動汽車MPDB碰撞仿真工況車體結構優(yōu)化

楊 楊，張 洋，王金龍，張 琪
Yang Yang，Zhang Yang，Wang Jinlong，Zhang Qi

（廣汽蔚來新能源汽車科技有限公司，廣東 廣州 511400）

根據(jù)MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier，正面可變移動壁障）工況，對某純電動汽車進行仿真分析。根據(jù)分析結果，從碰撞吸收與傳遞路徑優(yōu)化兩個角度對車身進行優(yōu)化，結果表明車體變形程度和乘員艙侵入量明顯減小，同時壁障的加速度與壁障變形量也得到改善。針對分析結果提出的改進思路為純電動汽車的碰撞安全性能研發(fā)提供參考。

純電動汽車；被動安全；MPDB；結構耐撞性；優(yōu)化

0 引 言

汽車車體的耐撞性是車身結構設計的重要方向，在車體結構設計中，正面碰撞主要考慮整車100%正面剛性壁障碰撞、整車40%偏置可變形壁障碰撞、整車25%偏置可變形壁障碰撞3種試驗工況。其中汽車耐撞性以及對自身乘員的保護是重點關注點，而對于碰撞兼容性問題研究較少[1]。碰撞車輛兼容性是指不同規(guī)模的車輛在車對車碰撞中提供同等水平的乘員保護[2]。2021版C-NCAP（China-New Car Assessment Programme，中國新車評價規(guī)程）在2018版的基礎上進行較大調(diào)整，使用50%重疊的可變形移動壁障和車輛均以50 km/h速度對撞的MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier，正面可變移動壁障）工況，替代40%重疊可變形固定壁障并速度為64 km/h的前部偏置碰撞ODB（Offset Deformable Barrier，偏置可變形壁障）工況，MPDB工況示意圖如圖1所示?；贛PDB碰撞工況，分析某電動汽車車身結構的設計與優(yōu)化。

圖1 MPDB工況示意圖

1 車身結構設計

1.1 碰撞傳遞路徑規(guī)劃

偏置碰撞或MPDB碰撞中力的傳遞一般有以下幾條路徑：1）碰撞力通過前防撞梁、前縱梁向A柱、縱梁、門檻或中通道傳遞；2）碰撞力通過上端梁向側圍和側門框傳遞；3）通過副車架等底盤部件向車身縱梁或者門檻傳遞；4）通過輪胎撞擊門檻向門檻傳遞。具體如圖2所示。

圖2 碰撞力傳遞路徑示意圖

當動力電池布置在車身地板下方時，由于地板下空間受到限制，對于布置大電池的純電動平臺來說，無法布置與前縱梁相貫通的縱梁使碰撞力向后傳遞，這是傳統(tǒng)燃油車與純電動汽車的主要區(qū)別。由于地板下缺少與前縱梁連接的路徑，門檻和中通道成為碰撞力傳遞的關鍵，有些純電動車型沒有中通道結構，這樣門檻成為碰撞力傳遞的重中之重。

1.2 關鍵結構設計

通過前縱梁向后傳遞碰撞的路徑規(guī)劃了3條，如圖3所示，第1條通過前縱梁、前圍板橫梁向中通道傳遞；第2條通過前縱梁、歇腳板、扭力盒向A柱、門檻傳遞；第3條通過前縱梁向地板上雪橇板傳遞，由于受到布置與人機限制，地板上雪橇板高度較低，此條路徑傳力最少。合理地設計前縱梁，使前縱梁的力有效地傳遞到中通道與門檻成為車身結構設計的關鍵。

圖3 某電動汽車碰撞力傳遞示意圖

1.2.1 前縱梁的設計

前縱梁采用激光拼焊高強度鋼，前段為薄板，后段為厚板，激光拼焊位置可以根據(jù)仿真分析結果進行優(yōu)化，這樣使前縱梁在碰撞過程中變形區(qū)域可控，變形次序可預先設定，最大限度地發(fā)揮材料的吸能效率。在前縱梁前段上布置壓潰筋，使前縱梁更容易壓潰吸能，前縱梁后段上布置潰縮筋，碰撞后期在此位置發(fā)生彎折，控制前縱梁變形形態(tài)。筋的位置可根據(jù)仿真分析結果進行優(yōu)化。

1.2.2前縱梁與中通道接頭設計

在前縱梁后端設置2個連接板，如圖4所示，上連接板一端與前縱梁上表面與側表面連接，另一端與前圍板橫梁連接；下連接板一端與前縱梁側表面連接，另一端與前圍板橫梁和中通道焊接邊連接。上下連接板之間的距離需要保證轉向柱安裝的空間。通過2個連接板保證通過前縱梁的碰撞力向中通道傳遞。

圖4 前縱梁后端結構示意圖

1.2.3前縱梁與門檻接頭設計

由于地板下需要布置大電池，且受軸距不能太大等布置限制，使電池包與輪胎包絡之間的空間很小，這給扭力盒處的結構設計帶來很大困難。對于大多數(shù)電動車型來說，扭力盒處都做得很強，與門檻搭接量很多，這樣保證前縱梁的力有效地向門檻傳遞。鑒于目前情況，在扭力盒不能做得很強的情況下，需要在地板上布置有效結構以保證力的傳遞，扭力盒結構如圖5所示。

圖5 扭力盒結構示意圖

在乘員艙內(nèi)，如圖6（a）所示，在滿足駕駛員歇腳處空間的情況下，將歇腳板結構做大做強，歇腳板前段與前縱梁后段連接，保證力能夠有效地與前縱梁銜接，歇腳板圓滑過渡，后段與A柱連接。如圖6（b）所示，在歇腳板與扭力盒的空腔內(nèi)設置加強板，加強板前端與前縱梁后段相連接，后端與A柱相連接。通過此處結構設計，歇腳板與扭力盒形成的腔體能夠有效地保證通過前縱梁傳遞的力向門檻傳遞。

圖6 某電動汽車歇腳板處結構示意圖

2 問題分析

2.1 前機艙變形情況

前機艙變形如圖7所示，吸能盒未充分壓潰時前縱梁已發(fā)生變形，發(fā)生碰撞時吸能盒與前縱梁應依次變形，因此需增加前縱梁與吸能盒連接件的強度；前縱梁后段連接件處過強，前縱梁未很好地發(fā)生彎折，前縱梁應合理設置潰縮筋，對前縱梁與前圍板橫梁間連接件進行弱化縮小。

圖7 前機艙變形圖

2.2 乘員艙變形情況

乘員艙變形如圖8所示，中通道前段沒有發(fā)生變形，中通道中段與地板處發(fā)生較大彎折，應合理設置傳遞路徑遵循前強后弱，對中通道前段結構進行弱化，中段進行加強；A柱內(nèi)板處折彎，應弱化A柱下連接件，進行一定的變形吸能，加強與連接件相連接的A柱內(nèi)板，增加材料厚度，并在A柱內(nèi)做支撐結構。

圖8 乘員艙變形圖

3 優(yōu)化方案

根據(jù)MPDB仿真分析，分析車身結構存在的問題與不足，主要的優(yōu)化思路為兩個方面：一方面是吸能盒以及前縱梁變形吸能需要進一步提升，減小對乘員艙碰撞能量的傳遞；另一方面是合理優(yōu)化碰撞力的傳遞路徑，對A柱、門檻、中通道等折彎變形位置，進行結構優(yōu)化與加強。經(jīng)過多次修改與優(yōu)化，最終的優(yōu)化方案如下。

（1）吸能盒加強筋由1條調(diào)整為2條，加強筋厚度由3 mm調(diào)整為2 mm，這樣能夠使吸能盒更好地壓潰，并增加能量的吸收；吸能盒與前縱梁連接板厚度由5 mm增加到7 mm，提高前縱梁的抵抗能力，使吸能盒充分壓潰。優(yōu)化方案如圖9所示。

圖9 吸能盒與連接板優(yōu)化方案

（2）前縱梁內(nèi)外板根據(jù)碰撞變形結果合理增加誘導筋，前縱梁上部連接板進行弱化處理，料厚由1.5 mm調(diào)整為1.0 mm，與前縱梁前部連接處退到前縱梁新增誘導筋后面，保證前縱梁在誘導筋處發(fā)生彎折。結構優(yōu)化方案如圖10所示。

圖10 前縱梁后端處結構優(yōu)化方案

（3）優(yōu)化歇腳板形貌，減小歇腳板尺寸，進行弱化處理，與A柱內(nèi)板連接尖角處進行圓滑過渡處理；A柱內(nèi)板由1.4 mm料厚熱成型鋼板調(diào)整為激光拼焊熱成型鋼板，下端料厚為1.8 mm，上端料厚為1.4 mm，增加抵抗變形的能力；A柱內(nèi)板加強板料厚由1.2 mm提高到1.4 mm，提升力的傳遞能力。結構優(yōu)化方案如圖11所示。

圖11 A柱下結構優(yōu)化方案

（4）取消中通道下方加強板，優(yōu)化中通道零件的形貌，增加前后貫通加強筋，中通道前段料厚由1.2 mm增加到1.5 mm，使中通道力的傳遞路徑遞進式變化；前地板加強筋調(diào)整，貫通到門檻處，增強碰撞力的引導。結構優(yōu)化方案如圖12所示。

圖12 中通道結構優(yōu)化方案

4 結果驗證

對最終優(yōu)化方案進行CAE計算，優(yōu)化后的各項指標基本都能達到車型初期設定的目標值，見表1。

表1 MPDB各指標仿真結果

從車身結構看，變形得到有效控制，吸能盒與前縱梁變形充分、吸能充分；中通道與A柱下的變形得到很好控制，車體結構滿足整車開發(fā)要求，動力電池與高壓線束未受到擠壓。優(yōu)化后車體變形如圖13所示。

圖13 優(yōu)化方案后車體變形圖

車體通過優(yōu)化后，整車碰撞的性能指標得到有效提高，但其中整車加速度峰值略有升高，由30.5增加到33.2，仍然滿足小于40要求；壁障加速度峰值由41.3降低到38.9，前圍板最大侵入量由106.4 mm降低到78.6 mm，進一步保護了乘員安全；MPDB壁障未發(fā)生擊穿，優(yōu)化后壁障評價區(qū)域壁障變形量下降，從而降低了此項評價指標的罰分，如圖14、圖15所示。

圖14 前圍侵入量對比圖

圖15 壁障變形量對比圖

5 總 結

以某電動汽車車體結構為研究對象，對MPDB碰撞工況下車體結構進行分析與結構優(yōu)化設計，提出了優(yōu)化吸能盒與前縱梁增加能量吸收和加強中通道與門檻局部結構優(yōu)化碰撞力傳遞等方案，使車體本身和壁障在加速度、侵入量和變形上有改善，為其他電動車型車身開發(fā)提供借鑒意義。

[1]逯艷博，馬偉杰，何成. 基于汽車碰撞相容性的乘員損傷研究[J]. 時代汽車，2019(10)：16-18.

[2]趙桂范，楊娜，朱日瑩. 車輛碰撞兼容性分析[C]//第9屆國際汽車交通安全學術會議. 中國長沙，2011.

2020-06-18

U469.72

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.010

1002-4581（2020）05-0039-04