電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞仿真分析方法淺析

唐小華，張 準(zhǔn)

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

為提升汽車(chē)碰撞安全技術(shù)水平，降低碰撞事故人員傷亡率，我國(guó)已制定發(fā)布了一系列的汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)，建立了適應(yīng)中國(guó)實(shí)際的、包含乘用車(chē)、商用車(chē)等多種車(chē)輛型式，涵蓋覆蓋正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞等多種碰撞工況，從整車(chē)級(jí)別到系統(tǒng)零部件級(jí)別的全方位的汽車(chē)碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

GB/T 31498－2015[1]《電動(dòng)汽車(chē)碰撞后安全要求》是我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)體系的重要組成部分，對(duì)于保證電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全性至關(guān)重要，但其只對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的正面碰撞、側(cè)面碰撞提出要求，缺少后部碰撞要求，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池主要布置在車(chē)身下底板處距離尾部更近，在車(chē)輛發(fā)生尾部碰撞過(guò)程中，很容易擠壓到動(dòng)力電池而發(fā)生安全事故[2]，因此很有必要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞進(jìn)行分析研究。本文章基于Ls_ Dyna，簡(jiǎn)析電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞仿真分析方法，為電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞目標(biāo)開(kāi)發(fā)提供方法上的參考。

1 分析要求

1.1 軟件工具要求

仿真分析離不開(kāi)軟件工具的支持，電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞仿真分析根據(jù)分析過(guò)程范圍的不同，需要使用到多種CAE分析軟件，在網(wǎng)格劃分、屬性定義、載荷及邊界條件、預(yù)加載范圍，采用HyperMesh、Primer，計(jì)算采用Ls_Dyna，后處理采用HyperView。

1.2 分析流程

電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞仿真分析流程參照?qǐng)D1。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞分析流程圖

2 模型建立

2.1 收集車(chē)輛零部件設(shè)計(jì)數(shù)模

主要收集整車(chē)車(chē)身、底盤(pán)、開(kāi)閉件、可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)等CAD數(shù)模和焊點(diǎn)連接數(shù)據(jù)，其次是整車(chē)數(shù)據(jù)中零部件名稱、零部件號(hào)、厚度和材料的BOM明細(xì)表，以及整車(chē)地面線相關(guān)信息。

2.2 網(wǎng)格劃分

通過(guò)HyperMesh建模，將整車(chē)CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh中，以此對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整車(chē)網(wǎng)格尺寸采用10 mm。網(wǎng)格模型質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)要求。

2.3 定義材料屬性

依據(jù)整車(chē)BOM明細(xì)表，按照各部件真實(shí)材質(zhì)和料厚定義部件網(wǎng)格的材料和厚度屬性。

2.4 模型連接

模型連接包括以下兩點(diǎn)：

（1）車(chē)身建立焊點(diǎn)。

車(chē)身焊點(diǎn)連接采用Beam或Hexa實(shí)體單元實(shí)現(xiàn)。

焊接采用下列連接方式：

CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY

CONSTRAINED_RIGID_BODY

SET_NODE_LIST

（2）底盤(pán)連接。

底盤(pán)連接采用鉸鏈連接以及彈簧連接兩種方式：

1）柱鉸鏈、旋轉(zhuǎn)鉸、萬(wàn)向節(jié)和球鉸鏈等采用鉸鏈連接：

CONSTRATINED_JOINT

2）螺旋彈簧和懸置采用彈簧連接：

ELEMENT_DISCRETE

3 分析方法

3.1 碰撞整車(chē)模型

按照GB 20072[3]要求，整質(zhì)量為整備質(zhì)量，允許車(chē)輛的質(zhì)量適當(dāng)增加，但不超過(guò)其整備質(zhì)量的10%。整車(chē)FE模型見(jiàn)圖2。

圖2 整車(chē)FE模型

3.2 導(dǎo)入及定位尾部碰撞移動(dòng)壁障

根據(jù)GB 20072要求，導(dǎo)入尾部碰撞移動(dòng)壁障（以下簡(jiǎn)稱移動(dòng)壁障）并進(jìn)行定位。

移動(dòng)車(chē)及碰撞裝置總質(zhì)量為（1 100±20）kg，移動(dòng)壁障碰撞速度為50 km/h，碰撞裝置移動(dòng)方向應(yīng)水平，并平行于被撞車(chē)輛的縱向中心平面，碰撞裝置表面中垂線和被撞車(chē)輛的縱向中心平面間橫向偏差不大于300 mm，移動(dòng)壁障與整車(chē)位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞工況示意圖

碰撞表面下邊緣離地高度應(yīng)為（175±25）mm，移動(dòng)壁障與地面高度關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 移動(dòng)壁障碰撞裝置與地面高度示意圖

3.3 選擇地面線

根據(jù)地面線數(shù)據(jù)，進(jìn)行定義尾部碰撞仿真模型的地面線，從而確定整車(chē)前后輪胎和移動(dòng)壁障的地面線。

按照GB 20072要求，選擇圖5中整備質(zhì)量處的地面線為仿真地面線。

圖5 地面線示意

3.4 接觸定義

電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞模型中需要定義的主要接觸如下： （1）AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE整車(chē)自接觸；

（2）TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE焊點(diǎn)和comp- onent的接觸；

（3）RIGIDWALL中定義輪胎和地面的接觸；

（4）AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE整車(chē)尾部和移動(dòng)壁障的接觸；

（5）FORCE_TRANSDUCER_PENALTY蓄電池模組間、蓄電池模組和電池外包殼的接觸。

3.5 Control卡片定義

碰撞終止時(shí)間和時(shí)間步定義如圖6所示。分析時(shí)間通常定義為120 ms。

圖6 控制卡片定義

3.6 Database卡片定義

在輸出卡片中的（ASCII）_OPTION和EXTENT輸出卡片中分別設(shè)置接觸力和塑性應(yīng)變輸出。

4 仿真結(jié)果后處理

4.1 仿真結(jié)果準(zhǔn)確性檢查

在結(jié)果生成時(shí)應(yīng)分析質(zhì)量檢查。檢查動(dòng)能、內(nèi)能、時(shí)間沙漏的圖表以確定沒(méi)有峰值或突變，須對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1.1 初始穿透

在滑移面上的必須沒(méi)有初始穿透。

4.1.2 最小時(shí)步

在LS_DYNA中的時(shí)步計(jì)算基于單元長(zhǎng)度、楊氏模量和密度，確保在計(jì)算過(guò)程中的時(shí)步不小于初始時(shí)步。隨著碰撞計(jì)算過(guò)程中單元變形的增加，時(shí)間步長(zhǎng)不斷減小，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形非常大時(shí)，臨界時(shí)間步長(zhǎng)將變得非常小，將會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完成計(jì)算。但時(shí)間步長(zhǎng)又不能取得過(guò)大，因?yàn)檫^(guò)大的時(shí)間步長(zhǎng)將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的失真，不能正常表現(xiàn)真實(shí)的響應(yīng)，同時(shí)影響數(shù)值穩(wěn)定性而造成結(jié)果發(fā)散，甚至無(wú)法求解。

4.1.3 質(zhì)量縮放

控制質(zhì)量縮放而增加的總質(zhì)量和質(zhì)量點(diǎn)，確保不大于總質(zhì)量的1%。在關(guān)鍵字*CONTROL_TIMESTEP中的控制參數(shù)DT2MS控制質(zhì)量縮放。設(shè)置DT2MS<0，表示質(zhì)量縮放僅僅施加到步長(zhǎng)小于DT2MS的單元上。一般設(shè)置DT2MS=-9E-4毫秒。這種方法會(huì)輕微地增加模型質(zhì)量和改變模型的質(zhì)心位置，但可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間，能夠有效達(dá)到計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間之間的平衡，一般質(zhì)量增加5 kg～10 kg是可以接受的。

4.1.4 能量變化

要求整個(gè)碰撞過(guò)程動(dòng)能內(nèi)能平滑變化，總能量保持不變，沙漏能不超過(guò)總能量的5%。通常需要讀取以下能量曲線，如圖7所示：

圖7 能量曲線示意圖

（1）動(dòng)能 Kinetic Energy；

（2）內(nèi)能 Internal Energy；

（3）接觸能 Interface Energy；

（4）總能量 Total Energy；

（5）沙漏能 Hourglass Energy。

4.2 結(jié)果評(píng)價(jià)

為保證電動(dòng)汽車(chē)碰撞后的電安全，仿真結(jié)果中關(guān)注蓄電池模組與電池外包殼接觸力、蓄電池模組與蓄電池模組接觸力和電池外包殼塑性應(yīng)變等結(jié)果，需滿足以下要求。

（1）蓄電池模組與電池外包殼接觸力。

碰撞過(guò)程中蓄電池模組與電池外包殼接觸力應(yīng)小于10 kN。

（2）蓄電池模組與蓄電池模組接觸力。

碰撞過(guò)程中蓄電池模組與蓄電池模組殼接觸力應(yīng)小于10 kN。

（3）電池外包殼塑性應(yīng)變。

碰撞過(guò)程中電池外包殼塑性應(yīng)變應(yīng)小于30%。

（4）電池外包殼入侵量。

如果可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)布置在車(chē)輛后備箱處，碰撞過(guò)程中電池外包殼不得入侵乘員艙。

4.3 分析報(bào)告要求

分析完成后編制分析報(bào)告，分析報(bào)告內(nèi)容應(yīng)包括以下部分：

（1）分析目的和意義；

（2）分析內(nèi)容，分析模型合理性及結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)達(dá)成情況；

（3）結(jié)論，分析結(jié)果進(jìn)行匯總，并得出最終結(jié)論。

5 結(jié)論

文章通過(guò)利用Ls_Dyna有限元仿真分析軟件系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞的仿真分析方法進(jìn)行了淺析，通過(guò)將仿真建模、分析過(guò)程及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以此有效指導(dǎo)工程師開(kāi)展仿真分析工作。

通過(guò)采用有限元方法進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)尾部碰撞安全仿真性能分析和優(yōu)化，可降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。