基于有限元分析的新能源汽車側(cè)面柱碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

吳磊　龐毅　潘俊潮

作者簡介：吳 磊（1988—），碩士，工程師，研究方向：汽車碰撞安全仿真設(shè)計(jì)。

摘要：文章針對側(cè)面柱碰工況特點(diǎn)對汽車車身結(jié)構(gòu)的傳力路徑進(jìn)行了分析，并以某款新能源汽車為分析對象，采用HyperWorks軟件搭建有限元仿真計(jì)算模型，對側(cè)面柱碰工況車身的主要傳力路徑上的座椅橫梁和中通道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其車身侵入量和電池包的安全性能均得到明顯改善。

關(guān)鍵詞：側(cè)面柱碰;傳力路徑;新能源汽車;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中國分類號：U469.7A511874

0 引言

新能源汽車相對于傳統(tǒng)燃油車在動力、節(jié)能、環(huán)保、駕乘體驗(yàn)、后期保養(yǎng)等方面具有明顯優(yōu)勢，其生產(chǎn)工藝和效率也大大高于傳統(tǒng)燃油車，是汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢，對汽車產(chǎn)業(yè)的整體可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用[1]。但是新能源汽車電池包安全性問題給新能源汽車的發(fā)展帶來了不小的困擾，特別是在發(fā)生交通事故的情況下，如何有效地保護(hù)電池包，避免出現(xiàn)熱失控、電路短路、電解液泄漏甚至起火爆炸等加劇事故危害程度的情況出現(xiàn)成為新能源汽車設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)之一。

鑒于此，國內(nèi)外的汽車評價(jià)機(jī)構(gòu)也針對新能源汽車出臺了專門的評價(jià)方法，以中國新車評價(jià)規(guī)程（C-NCAP）為例，對于新能源汽車有專門的用電安全評價(jià)，如果用電安全達(dá)不到要求則不予進(jìn)行星級評價(jià)。此外，在試驗(yàn)工況上相對傳統(tǒng)燃油車也會有一些變化，最明顯的變化是在2021版C-NCAP中采用側(cè)面柱碰工況來代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的可變形移動壁障側(cè)面碰撞工況，該工況對新能源汽車電池包的防護(hù)性提出了更高的要求。

1 工況介紹

1.1 法規(guī)解讀

2021版C-NCAP的側(cè)面柱碰工況參考了2015版Euro NCAP側(cè)柱碰工況[2]，主要用以模擬當(dāng)汽車側(cè)面撞擊電線桿、大樹等圓柱形障礙物時的交通事故。該工況采用剛性圓柱作為壁障，其主要特點(diǎn)是剛度大且接觸面積小，因此，相對于可變形移動壁障側(cè)面碰撞工況，側(cè)面柱碰的車身的局部侵入量會更大，對電池包的威脅性也更高。側(cè)面柱碰工況定義如圖1所示。試驗(yàn)車輛前排駕駛員位置放置一個WorldSID 50th假人，以速度32 km/h橫向撞擊半徑127 mm的剛性立柱，平行于車輛碰撞速度矢量的垂直面與車輛縱向中心線之間應(yīng)形成75°±3°的碰撞角，剛性柱表面中心線應(yīng)對準(zhǔn)車輛碰撞側(cè)外表面與通過假人頭部重心垂直平面的交叉線（碰撞基準(zhǔn)線），在與車輛運(yùn)動方向垂直的平面上，距離碰撞基準(zhǔn)線在±25 mm內(nèi)[3]。

1.2 傳力路徑分析

側(cè)面柱碰工況從壁障形式到碰撞過程與可變形移動壁障側(cè)面碰撞工況均存在巨大的差異[4]，以往基于可變形移動壁障側(cè)面碰撞工況的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并不適用于側(cè)面柱碰工況。本研究根據(jù)側(cè)面柱碰的碰撞特點(diǎn)，篩選出主要的傳力結(jié)構(gòu)件（如圖2所示），并根據(jù)其連接特點(diǎn)歸納了其主要傳力路徑（如圖3所示）。根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載順序分為第一承載區(qū)和第二承載區(qū)：第一承載區(qū)的主要結(jié)構(gòu)有車門防撞梁、A柱上邊梁以及門檻梁;第二承載區(qū)的主要結(jié)構(gòu)是B柱、A柱、頂棚后橫梁、前座椅前橫梁以及前座椅后橫梁。通過仿真計(jì)算獲得了每個結(jié)構(gòu)的截面力并根據(jù)公式（1）計(jì)算出載荷比（如表1所示）：第一承載區(qū)門檻梁為主要傳力部件，承載比例達(dá)到79.4%;第二承載區(qū)主要載荷由與門檻梁相連并靠近壁障立柱的前座椅后橫梁傳遞，承載比例達(dá)到59.4%。因此，門檻梁和座椅橫梁是側(cè)面柱碰的主要承載部件，結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)該從這些部件著手。

2 模型搭建

根據(jù)2021版C-NCAP柱碰試驗(yàn)規(guī)程，以某款新能源汽車為分析對象，采用HyperWorks軟件搭建有限元仿真計(jì)算模型，主要包含車身系統(tǒng)、剛性立柱、電池包系統(tǒng)等。

2.1 車身系統(tǒng)

車身系統(tǒng)包含白車身、車身開閉件、底盤系統(tǒng)以及座椅子系統(tǒng)，采用shell單元模擬車身系統(tǒng)的鈑金結(jié)構(gòu)，采用直徑為6 mm的實(shí)體單元通過接觸的方式模擬點(diǎn)焊連接，剛性rigid單元模擬車身系統(tǒng)的二氧化碳保護(hù)焊、塞焊，constrained rigid bodies模擬螺栓連接。車身系統(tǒng)利用single surface（自接觸）實(shí)現(xiàn)車身系統(tǒng)內(nèi)部的傳力[5]。

2.2 剛性立柱

剛性立柱采用shell單元建模，通過賦予mat20材料使立柱“剛化”，約束立柱6個方向自由度使其固定，采用surface to surface 使立柱與車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸傳力。

2.3 電池包

電池包作為此次分析的主要關(guān)注點(diǎn)，需要進(jìn)行詳細(xì)建模，主要包含電池模組、電池包托架、電池包上蓋、主繼電器、高壓線以及冷卻管路等結(jié)構(gòu)。通過自接觸將電池模組固定于電池包內(nèi)，電池包通過托架上的安裝支架與車身連接。電池包模型如圖4[6]所示。

3 結(jié)果分析及優(yōu)化

3.1 基礎(chǔ)狀態(tài)結(jié)果分析

對基礎(chǔ)狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析：測量B柱內(nèi)板、前門鈑金內(nèi)板的最大侵入量以及車門侵入速度并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對比，評估碰撞對司機(jī)的傷害風(fēng)險(xiǎn)。此外，針對新能源汽車電池包的安全性，測量立柱對蓄電池侵入量以及電池包加速度?；A(chǔ)狀態(tài)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

基礎(chǔ)狀態(tài)下B柱內(nèi)板和前門鈑金內(nèi)板侵入量均超過目標(biāo)值，存在對司機(jī)造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。同時，立柱擠壓電池包導(dǎo)致電池包托架變形達(dá)到15 mm，由于立柱撞擊電池包還導(dǎo)致了電池包加速度達(dá)到42.5 g超過目標(biāo)值，存在導(dǎo)致電池包內(nèi)部搭接松脫甚至短路等風(fēng)險(xiǎn)[7-9]。通過分析計(jì)算結(jié)果的變形模式發(fā)現(xiàn)：作為柱碰第二承載區(qū)最主要傳力路徑的前座椅后橫梁出現(xiàn)嚴(yán)重的折彎變形，且座椅橫梁與中通道搭接處由于剛度不足而變形過大（如圖5所示），由此導(dǎo)致了車身變形過大，各項(xiàng)侵入指標(biāo)超標(biāo)的現(xiàn)象。同時，座椅橫梁向下折彎還存在擠壓電池包的風(fēng)險(xiǎn)（如圖6[10]所示），因此需要對座椅橫梁進(jìn)行加強(qiáng)。

3.2 優(yōu)化方案

根據(jù)基礎(chǔ)狀態(tài)結(jié)果分析所暴露的問題，對前座椅后橫梁以及中通道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[10]。

3.2.1 座椅橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了改善座椅橫梁的折彎變形，提高座椅橫梁的抗彎性能，在座椅橫梁內(nèi)部增加長度為425 mm、材料為780DP厚度的1.5 mm加強(qiáng)板。加強(qiáng)板的長度必須覆蓋座椅左右安裝支座（如圖7所示）。

3.2.2 中通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基礎(chǔ)狀態(tài)的中通道凸起于地板上，而座椅橫梁騎跨于中通道之上。由于中通道為1.2 mm厚的鈑金件，其對于座椅橫梁的支撐剛度有限，難以有效地將碰撞載荷由車身的左側(cè)傳遞至右側(cè)，由此導(dǎo)致該區(qū)域局部變形較大。優(yōu)化方案是將前座椅后橫梁以后部分的中通道由平地板代替并將左右座椅橫梁改成等截面貫通梁。該方案不僅優(yōu)化了柱碰時載荷傳遞路徑，還能夠使車身減重0.51 kg。具體如圖8、圖9所示。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

分析優(yōu)化方案結(jié)果的變形模式：通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，前座椅后橫梁處的折彎變形得到明顯改善，未向下擠壓到電池包（如圖10所示），車身側(cè)圍對電池包起到有效的防護(hù)，在碰撞過程中立柱未撞擊到電池包。同時，立柱對車身的侵入量減少，各項(xiàng)考核指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，具體如表2所示。

4.結(jié)語

本研究從車身結(jié)構(gòu)的傳力路徑出發(fā)，對2021版C-NCAP側(cè)面柱碰工況下車身的主要傳力路徑上的座椅橫梁和中通道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過加強(qiáng)座椅橫梁和優(yōu)化中通道與座椅橫梁的搭接形式，使整車柱碰性能得到顯著改善：

（1）消除了前座椅后橫梁折彎變形，從而避免了橫梁向下折彎擠壓電池包。

（2）降低了車身變形量，使B柱內(nèi)板、前門內(nèi)板的侵入量均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，從而降低了對司機(jī)的傷害風(fēng)險(xiǎn)。

（3）避免了立柱撞擊電池包，同時降低了電池包的加速度，從而提高了電池包的碰撞安全性。

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