汽車雙電機(jī)布置碰撞CAE分析與校核

江鈴汽車股份有限公司 姚賢濤 徐莉 鄭方強(qiáng) 鄭欣 羅倩

本文從汽車碰撞車身結(jié)構(gòu)耐撞性角度出發(fā),針對(duì)江鈴某車型四種雙電機(jī)布置方案,分別進(jìn)行了耐撞性CAE分析與計(jì)算,評(píng)估了不同雙電機(jī)布置方案對(duì)汽車正面碰撞的影響。通過提取關(guān)鍵考察指標(biāo)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端靠后區(qū)域內(nèi),對(duì)碰撞結(jié)果更加有利,其乘員艙侵入量比其他三種減少了15%以上。該分析方法與選型原則可應(yīng)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其他剛性部件的布置參考。

0 引言

汽車的被動(dòng)安全性能研究,車身結(jié)構(gòu)的耐撞性[1]仍然是最重要的基石,車身結(jié)構(gòu)是汽車的骨架,承載了行駛工況和碰撞工況的絕大部分載荷。汽車發(fā)生正面碰撞時(shí),為了減少乘員艙內(nèi)的侵入和傷害,希望發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的有效空間越大越好[2],但受限于前懸長(zhǎng)度的要求,其空間又不能太大。因此,在一定的有效碰撞空間內(nèi),剛性部件的布置方式極大地影響了碰撞結(jié)果。其原因是,剛性部件在碰撞過程中被視為不可壓縮部分,當(dāng)碰撞載荷傳遞到該區(qū)域內(nèi),不僅其自身無法變形吸收能量,而且在X向占據(jù)了一定空間阻礙了該區(qū)域內(nèi)車身縱梁[3]結(jié)構(gòu)的潰縮變形。另外,這些剛性部件的連接支架可能會(huì)搭載在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝支架上,這就會(huì)影響到懸置安裝支架在碰撞時(shí)的變形或斷裂模式[4],進(jìn)而使得設(shè)計(jì)人員無法準(zhǔn)確地控制該區(qū)域內(nèi)的斷裂釋放載荷設(shè)計(jì),導(dǎo)致傳遞至乘員艙內(nèi)的沖擊慣性較大對(duì)乘員損傷造成嚴(yán)重后果。

本文的研究對(duì)象雙電機(jī)布置,恰恰是安裝發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的一個(gè)較大剛性部件。因此,該電機(jī)的布置選型對(duì)汽車正面碰撞的影響至關(guān)重要。

1 雙電機(jī)布置方案

本文所研究的內(nèi)容包驅(qū)動(dòng)兩套動(dòng)力系統(tǒng)共四個(gè)雙電機(jī)布置方案。為了方便描述與橫向?qū)Ρ?現(xiàn)對(duì)四種方案結(jié)合圖1的示意,做以下說明:

圖1 四種雙電機(jī)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of four kinds of dual motors layout

圖1 課程思政教育目標(biāo)Fig.1 Teaching purpose of ideological and political thoughts in a course

方案A:雙電機(jī)兩端均安裝在汽油機(jī)殼體上;

方案B:雙電機(jī)一端安裝在汽油機(jī)殼體上,另一端安裝在懸置支架上;

方案C:雙電機(jī)兩端均安裝在柴油機(jī)殼體上;

方案D:雙電機(jī)一端安裝在柴油機(jī)殼體上,另一端安裝在懸置支架上。

在如前言所述,雙電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)后,整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)X向的剛性空間距離,是影響車身縱梁結(jié)構(gòu)耐撞性的重要因素,本文首先從CAD數(shù)據(jù)上,對(duì)四種方案的X向剛性空間做了詳細(xì)對(duì)比,其結(jié)果如表1所示。

由表1可得知,就X向剛性空間而言,方案B的布置對(duì)碰撞最為不利,其原因是布置了雙電機(jī)之前,占用了更多的X向可壓縮空間,可能會(huì)導(dǎo)致在發(fā)生正面高速碰撞時(shí),縱梁的軸向壓潰不充分,從而減小車身變形帶來的吸能量。另一方面,我們還需要考慮電機(jī)布置在懸置支架上的影響,因?yàn)閷?duì)高速碰撞來說,由于沖擊力量較大,懸置支架非常容易斷裂,此時(shí),電機(jī)安裝在懸置支架上無形之中增加了支架的強(qiáng)度,其可能產(chǎn)生的結(jié)果是,高速碰撞懸置支架不斷裂或者部分?jǐn)嗔?高速?zèng)_擊載荷無法通過懸置支架斷裂卸載,傳遞至車身上的能量則會(huì)更多,導(dǎo)致車輛加速度上升,對(duì)乘員艙的人體保護(hù)十分不利。

表1 四種方案的X向空間對(duì)比Tab.1 X-space comparison of the four schemes

2 雙電機(jī)碰撞CAE分析

雙電機(jī)剛性部件對(duì)汽車碰撞的影響涉及到多個(gè)工況,本文綜合考慮了國(guó)標(biāo)所規(guī)定的正面碰撞工況(50kmph FRB)和正面偏置碰撞工況(64kmph ODB)、CNCAP所規(guī)定的正面對(duì)撞工況(50kmph MPDB),工況介紹可參考Safety Companion[5],如表2所示。

表2 雙電機(jī)布置方案碰撞CAE分析矩陣Tab.2 Collision CAE analysis matrix for dual-motor layout

基于以上碰撞CAE分析矩陣,為了保證橫向?qū)Ρ鹊臏?zhǔn)確性,本文統(tǒng)一使用求解軟件

LS-DYNA R9版本,64CPU的MPP計(jì)算模式,并規(guī)范了分析過程中的一些關(guān)鍵信息如下:

(1)整車有限元模型,除動(dòng)力系統(tǒng)和方案本身的區(qū)域外,其他部分完全一致。

(2)CAE模型單位制,采用S2單位制,即mm-s-T。

(3)初始化定義,主要指的是整車碰撞速度和車輪初始旋轉(zhuǎn)角速度。以50kmph FRB為例,需要把整車碰撞速度50km/h單位轉(zhuǎn)化為13889mm/s,在DYNA關(guān)鍵字設(shè)置中則表示為:VX=-13889,注意檢查初始化的速度方向是否正確。

(4)模型一致性檢查,包括計(jì)算前和計(jì)算后的檢查:

計(jì)算前,檢查各個(gè)部件的材料、厚度連接關(guān)系和接觸設(shè)置,同時(shí),可以在前處理軟件中檢查是否存在過小的時(shí)間步單元和模型的質(zhì)量增加范圍,計(jì)算時(shí)間步過小會(huì)影響計(jì)算時(shí)間,質(zhì)量增加范圍一般控制在不超過模型總質(zhì)量的5%。

計(jì)算后,檢查能量是否守恒。能量守恒是計(jì)算結(jié)果有效性的基礎(chǔ),在保證總能量守恒的前提下,應(yīng)控制沙漏能與滑移應(yīng)變能小于總能量5%,如果總能量不守恒,可通過查找各個(gè)部件的內(nèi)能、動(dòng)能及質(zhì)量縮放來找出異常部件并修改至正確狀態(tài)。

本文通過4方案、3工況的矩陣式數(shù)值仿真分析,求解動(dòng)力系統(tǒng)搭載不同雙電機(jī)后,對(duì)碰撞結(jié)果的影響,旨在從中選取出較為理想的雙電機(jī)布置方案,為其他車型布置在該區(qū)域內(nèi)的零部件設(shè)計(jì)提供有效的參考依據(jù)。

3 碰撞CAE分析結(jié)果對(duì)比

3.1 右前縱梁吸能和變形模式對(duì)比

由于四種雙電機(jī)布置方案,其空間位置均位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的右前方,最有可能影響車身變形的區(qū)域是右前縱梁,而縱梁的潰縮吸能直接影響了碰撞結(jié)果的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo):乘員艙內(nèi)的侵入量和車身加速度曲線。本文通過右前縱梁的吸能量和變形模式對(duì)比,可以快速直觀地判斷四種方案的優(yōu)劣性,如圖2所示。

圖2 三種工況右前縱梁吸能量對(duì)比Fig.2 Comparison of energy absorption of right front longitudinal beam in three working conditions

從以上三種工況的右前縱梁吸能量可以看出,方案B的右前縱梁在50FRB和64ODB高速碰撞工況下,其吸能量均處于最大位置,在50MPDB高速碰撞工況下吸能量也較大,換名話說,在右縱梁上的懸置支架未按照其設(shè)計(jì)意圖承擔(dān)起斷裂所載能量的作用,導(dǎo)致大部分能量通過右縱梁本身的變形來實(shí)現(xiàn)傳遞。

通過圖3、圖4、圖5的右前縱梁變形模式對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),四種電機(jī)布置方案,其右前縱梁變形差異較大,從與實(shí)際碰撞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來看,方案A最接近真實(shí)狀態(tài),其根本原因是電機(jī)布置不影響懸置支架的斷裂變形,發(fā)生碰撞時(shí),縱梁的變形與吸能量一致性較高。

圖3 50kmph FRB右前縱梁變形模式對(duì)比Fig.3 Comparison of deformation modes of 50kmph FRB right front longitudinal beam

圖4 64kmph ODB右前縱梁變形模式對(duì)比Fig.4 Comparison of deformation modes of 64kmph ODB right front longitudinal beam

圖5 50kmph MPDB右前縱梁變形模式對(duì)比Fig.5 Comparison of deformation modes of 50kmph MPDB right front longitudinal beam

3.2 碰撞關(guān)鍵考核指標(biāo)對(duì)比

為了進(jìn)一步分析四種方案的差異,本文從可能對(duì)乘員造成傷害的多個(gè)角度出發(fā),整理出與之有關(guān)的碰撞關(guān)鍵考核指標(biāo),用于分析判定計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣。以差異最大的碰撞工況50kmph FRB為例,對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)解析,如表3所示。

表3 四種方案關(guān)鍵考核指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of key assessment indicators of the four schemes

3.3 燃油完整性分析結(jié)果對(duì)比

無論是國(guó)家法規(guī)還是CNCAP評(píng)價(jià),均包含了汽車碰撞后燃油持續(xù)泄漏量不超過30g/min的要求,該項(xiàng)嚴(yán)控指標(biāo),反映到工程設(shè)計(jì)中,被解析為碰撞試驗(yàn)后燃油系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)保證其完整性,即:燃油箱無破損、輸油管和回油管無擠壓變形以及整個(gè)燃油系統(tǒng)周邊不應(yīng)有尖銳物如凸出的螺釘或者金屬翻邊等。

本文所分析的碰撞CAE工況,同樣需要評(píng)價(jià)雙電機(jī)布置方案對(duì)燃油系統(tǒng)完成性的影響。圖6所示為50kmph FRB碰撞工況中,方案A對(duì)燃油箱及管路變形量的影響結(jié)果。

圖6 燃油系統(tǒng)(燃油箱及油管)完整性Fig.6 Fuel system (fuel tank and fuel pipe) integrity

無論使用哪種雙電機(jī)布置方案,均對(duì)燃油系統(tǒng)完整性的影響較小,其原因主要有以下兩點(diǎn):(1)四種雙電機(jī)方案均布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙右前方,離燃油系統(tǒng)的空間距離都較遠(yuǎn),碰撞時(shí)不會(huì)與燃油管路產(chǎn)生直接接觸更不會(huì)擠壓變形;(2)盡管雙電機(jī)布置減少了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的碰撞空間,但從碰撞過程的動(dòng)畫結(jié)果來看,整車的變形姿態(tài)中并沒有出現(xiàn)剛性部件或者尖銳物體對(duì)燃油管路和燃油箱造成擠壓損害。

4 結(jié)論

本文研究了四種汽車雙電機(jī)布置方案,分別從X向碰撞空間、車身變形和吸能量、燃油完整性三個(gè)角度,雙四種方案進(jìn)行了詳細(xì)CAE分析和對(duì)比,可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)采用統(tǒng)一的前處理技術(shù)和求解器資源,是方案優(yōu)劣橫向?qū)Ρ鹊那疤?(2)方案B占用了最大的X向剛性空間,對(duì)碰撞結(jié)果最為不利;(3)四種布置方案中,車身吸能量最大相差15%以上;(4)方案A對(duì)乘員艙內(nèi)的生存空間最大侵入量為120mm,是四種方案中最理想的分析結(jié)果,可作為設(shè)計(jì)選型中首選方案;(5)由于雙電機(jī)布置遠(yuǎn)離燃油系統(tǒng)周邊,且整車變形姿態(tài)中未出現(xiàn)對(duì)燃油系統(tǒng)完整性的不利因素,四種雙電機(jī)布置方案對(duì)燃油系統(tǒng)完整性的影響均可忽略。

引用

[1] Liu B,Villavicencio R,Pedersen P T,et al.Analysis of structural crashworthiness of double-hull ships in collision and grounding[J].Marine Structures,2021,76(3):102898.

[2] 水野幸治.汽車碰撞安全[Z].人民交通出版社,2016.

[3] 王冠群.正面碰撞過程中的前縱梁耐撞性研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2014.

[4] 賈尚華,邵百明,薛喜才,等.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架斷裂的失效分析[J].上海汽車,2019(10):50-53.

[5] Safety Companion 2020[Z].Germany:Carhs,2020:4,5,20,26,27.