基于C-NCAP五星碰撞的主體鋁制純電動(dòng)車正碰車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

游潔，耿富榮，陳東，楊宏，吳純福

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

1 前言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，資源緊缺和環(huán)境污染的矛盾日益突出，汽車電動(dòng)化和輕量化成為汽車發(fā)展的主要發(fā)展方向。研究表明，汽油乘用車每減重100kg將節(jié)油0.3～0.5L/100km，可減少CO2排放8～11g/100km[1]。此外，輕量化對(duì)于電動(dòng)汽車更有重要的特別意義，較低的車身質(zhì)量一方面可以減少電能消耗，另一方面可以在相同整備質(zhì)量的條件下安裝更大容量的動(dòng)力電池，兩者均可以提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力[2]，因此在保障車身性能下，將電動(dòng)化和輕量化相結(jié)合是提升汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。

基于純電動(dòng)汽車的短前懸造型、緊湊機(jī)艙布置和大容量電池布局等特點(diǎn)，導(dǎo)致在純電動(dòng)車整備重量提升下，碰撞吸能空間減少，傳力路徑減弱，成為車身正面框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的痛點(diǎn)問(wèn)題，其難點(diǎn)在于如何提升其碰撞吸能效率同時(shí)兼顧輕量化設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)外已有電動(dòng)車的正碰結(jié)構(gòu)和鋁合金車身的相關(guān)研究，李莉等曾基于長(zhǎng)城的某款純電動(dòng)車就其機(jī)艙布置和地板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行純電車正碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[3]，但此結(jié)構(gòu)仍是在傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行局部差異化優(yōu)化，且為鋼制車身結(jié)構(gòu)；王大志等結(jié)合上汽模塊微型電動(dòng)車項(xiàng)目，討論了電動(dòng)轎車的質(zhì)量分布和艙室布置等方面與傳統(tǒng)車的差異，有針對(duì)性地規(guī)劃設(shè)計(jì)電動(dòng)車碰撞載荷路徑和變形區(qū)域[4]，此研究電動(dòng)框架路徑仍主要基于傳統(tǒng)框架基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃；趙文亮等為某一鋼制城市客車設(shè)計(jì)了五種特殊截面的鋁合金型材及與之相適應(yīng)的連接件，在保障相關(guān)性能下，使車身質(zhì)量降低了146.8kg，減重比率達(dá)13.13%[5]，但此研究應(yīng)用暫未針對(duì)電動(dòng)車型開(kāi)展；因此，本文針對(duì)純電動(dòng)車的正碰框架結(jié)構(gòu)，基于全新的純電動(dòng)車布置下運(yùn)用基于正碰工況下的傳力路徑拓補(bǔ)優(yōu)化，獲得全新的純電動(dòng)正碰載荷路徑；基于輕量化、性能、工藝性等多維度考慮，采用多維列表選材法設(shè)定框架材料策略，進(jìn)行基于C-NCAP五星碰撞的主體鋁制純電動(dòng)車正碰車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)CAE和試驗(yàn)驗(yàn)證，形成一套完整的主體鋁制量產(chǎn)純電動(dòng)車正碰車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

2 技術(shù)路線

純電動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車的正碰車身框架的主要區(qū)別和要求如下：

（1）純電動(dòng)車整備較傳統(tǒng)燃油車重，碰撞總能量更多，而短前懸造型（匹配縮短車長(zhǎng)，加大軸距的需求）和緊湊的機(jī)艙布置（適應(yīng)大輪胎和三點(diǎn)系統(tǒng)），導(dǎo)致其碰撞吸能空間較傳統(tǒng)燃油車少，因此要求其前端結(jié)構(gòu)的吸能效率大大提升以保障碰撞性能；

（2）基于純電動(dòng)車?yán)m(xù)航提升需求，地板下部空間全部提供給電池包布局，無(wú)地板縱梁結(jié)構(gòu)空間以延長(zhǎng)機(jī)艙縱梁后部的正面?zhèn)髁β窂?，需全新布局機(jī)艙到地板的傳力路徑及碰撞吸能、變形過(guò)渡和剛性區(qū)域。

綜上所述，需針對(duì)純電動(dòng)車布置分析進(jìn)行主框架結(jié)構(gòu)正碰工況下的傳力路徑拓補(bǔ)優(yōu)化，結(jié)合傳力路徑的初步設(shè)計(jì)、工程約束和碰撞區(qū)域的全新布局進(jìn)行選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，最終完成主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體流程如下圖：

圖1 技術(shù)路線流程圖

3 主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 布置分析

電動(dòng)車乘員艙內(nèi)部布置與傳統(tǒng)車布置基本一致，主要包括：人機(jī)、轉(zhuǎn)向、空調(diào)、座椅等，基于純電車長(zhǎng)軸距和低車高的特點(diǎn)，人體腿部和腳部姿態(tài)與傳統(tǒng)車略有差異。主要布置差異集中在機(jī)艙布置和地板底部布置，如圖2所示：

機(jī)艙內(nèi)部主要布置包括：電機(jī)及插件，組合支架及電機(jī)控制器、管理器等電子電器元件，底盤(pán)制動(dòng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，前副車架，橫向穩(wěn)定拉桿等。

機(jī)艙外部主要布置包括：輪胎，前懸架等。

地板底部主要布置包括：平整化大容量動(dòng)力電池包，制動(dòng)管路和線束等。

圖2 電動(dòng)車機(jī)艙和地板布置示意圖

3.2 正碰傳力路徑設(shè)計(jì)

基于純電動(dòng)車布置和造型進(jìn)行實(shí)體模型設(shè)計(jì)，扣除布置（機(jī)艙布置、地板布置、乘員艙布置、前風(fēng)窗、四門(mén)兩蓋門(mén)洞等）所占用的空間，其余空間即為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化空間，如下圖所示：

圖3 實(shí)體模型示意圖

車身設(shè)計(jì)的技術(shù)要求主要包括剛強(qiáng)度、NVH和碰撞性能，基于正碰特定工況進(jìn)行框架路徑拓補(bǔ)，基本能覆蓋機(jī)艙和地板區(qū)域正面受力路徑，滿足相關(guān)的剛強(qiáng)度要求，再綜合考慮側(cè)面、后面和頂部受力情況即可形成完整的框架路徑優(yōu)化。各類工況和拓?fù)鋬?yōu)化模型如下圖所示：

圖4 各類工況示意圖

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化模型

結(jié)合拓?fù)渎窂浇Y(jié)果和工程可行性初步定義正碰框架傳力路徑如下圖所示：

圖6 正碰框架路徑底部視圖

圖7 正碰框架路徑軸側(cè)視圖

其中，主路徑包括：

（1）左側(cè)前縱梁到左側(cè)縱梁根部接頭到左門(mén)檻；

（2）右側(cè)前縱梁到右側(cè)縱梁根部接頭到右門(mén)檻；

（3）左右側(cè)機(jī)艙縱梁到前圍根部橫梁到中通道。

輔路徑包括：

（1）左側(cè)前縱梁到左側(cè)short gun到左側(cè)上邊梁到左側(cè)A柱；

（2）右側(cè)前縱梁到右側(cè)short gun到右側(cè)上邊梁到左側(cè)A柱；

（3）左側(cè)前縱梁到左側(cè)塔座到左側(cè)上邊梁到左側(cè)A柱；

（4）右側(cè)前縱梁到右側(cè)塔座到右側(cè)上邊梁到右側(cè)A柱；

（5）左右側(cè)機(jī)艙縱梁到左右側(cè)縱梁內(nèi)側(cè)接頭到前圍上部橫梁。

整個(gè)正碰框架的主要部件包括：前防撞梁、前縱梁、short gun、上邊梁、塔座、A柱、前塔座、縱梁根部接頭、前圍根部橫梁、前圍上部橫梁、門(mén)檻、中通道、前圍板和前地板等，其中前防撞梁到前縱梁區(qū)域?yàn)橹饕軈^(qū)域（要求吸能效率大幅提升），前塔座到前圍板區(qū)域?yàn)樽冃芜^(guò)渡區(qū)域（要求穩(wěn)固可靠，支撐前部吸能充分），前圍板后部為剛性區(qū)域（即乘員保護(hù)區(qū)域）。

基于不同鋁合金材料力學(xué)性能和生產(chǎn)線工藝要求，最終完成整個(gè)正碰框架材料類型的制定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示：

圖8 正碰框架結(jié)構(gòu)底部視圖

圖9 正碰框架結(jié)構(gòu)軸側(cè)視圖

從上圖可知：整個(gè)框架基于性能和輕量化的考慮主體采用鋁制，包括擠壓鋁、壓鑄鋁和沖壓鋁，基于合拼線鋼制約束，與上下車體合拼區(qū)域的過(guò)渡件則采用鋼制。

4 CAE及試驗(yàn)效果驗(yàn)證

表1 全正碰FRB仿真分析結(jié)果

基于正碰框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析，各項(xiàng)結(jié)果均滿足相關(guān)要求，F(xiàn)RB正碰和ODB偏置碰的CAE驗(yàn)證車身指標(biāo)結(jié)果匯總?cè)绫?和表2所示。

表2 偏置碰ODB仿真分析結(jié)果匯總

正碰框架結(jié)構(gòu)通過(guò)CAE驗(yàn)證后，進(jìn)行試驗(yàn)樣件制作和整車正碰試驗(yàn)，各項(xiàng)結(jié)果均滿足相關(guān)要求，F(xiàn)RB正碰和 ODB偏置碰的試驗(yàn)車身指標(biāo)結(jié)果匯總?cè)绫?所示：

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

ODB整車試驗(yàn)乘員傷害得分結(jié)果如表4所示：

表4 偏置碰ODB乘員傷害值得分列表

5 結(jié)論

本文針對(duì)純電動(dòng)車車身正碰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)和難點(diǎn)，基于純電動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車的差異化布置分析，全新設(shè)計(jì)和布局正面碰撞框架傳力路徑，確定正面碰撞框架結(jié)構(gòu)，完成且通過(guò)了CAE和試驗(yàn)驗(yàn)證，形成了一套完整的，已應(yīng)用于量產(chǎn)項(xiàng)目的主體鋁制純電動(dòng)車身正面碰撞框架結(jié)構(gòu)，包括：

（1）完整可行的技術(shù)路線流程，基于此技術(shù)路線逐步搭建主框架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化并驗(yàn)證，且形成相關(guān)的知識(shí)積累沉淀，為后續(xù)類似車型開(kāi)發(fā)提供參考和指導(dǎo)；

（2）基于純電動(dòng)汽車特點(diǎn)的布置分析，針對(duì)其與傳統(tǒng)燃油車布置的差異進(jìn)行實(shí)體建模設(shè)計(jì)，更能與純電動(dòng)車需求相匹配；

（3）主框架路徑的設(shè)計(jì)，基于特定的正面工況下的正面?zhèn)髁β窂竭M(jìn)行結(jié)合工程約束的路徑布局，區(qū)分主、輔路徑，考慮碰撞吸能效率的提升和乘員的保護(hù)；

（4）主框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，基于整個(gè)全新的碰撞傳力路徑中各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)性能、類型、產(chǎn)線約束等綜合因素考慮，進(jìn)行合理選材，支撐結(jié)構(gòu)方案的最終制定；

（5）此正面碰撞框架結(jié)構(gòu)的CAE和試驗(yàn)的各項(xiàng)車身性能指標(biāo)均滿足相關(guān)要求，且 ODB工況（正面碰撞下更為惡劣的工況）下的整車乘員傷害得分也能滿足相關(guān)要求，說(shuō)明上述方法流程可行且有效。