小型新能源敞篷車車身設(shè)計分析與優(yōu)化

劉華官 覃大煜

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著社會發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平的提高，敞篷車的時尚化、潮流化、個性化和酷炫化滿足了人們對個性化的追求。

敞篷車車型缺少B、C 柱，采用自動折疊篷蓋代替硬頂車頂，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜[1]，一體性較差。敞篷車對車輛性能和安全性要求更高。目前車身結(jié)構(gòu)技術(shù)及乘員保護技術(shù)尚未成熟。李磊等利用杠桿原理對敞篷車車身結(jié)構(gòu)分析，找出最優(yōu)的碰撞載荷傳遞路徑。王鉦強等使用CATIA 完成了四門敞篷車的車身設(shè)計，滿足了四門敞篷車對車身結(jié)構(gòu)和強度的難度要求，并進行了實車驗證。

本論文通過對兩座小型新能源座敞篷車白車身模態(tài)、剛度、強度、正面碰撞、側(cè)面碰撞建模分析以及整車實車驗證，為小型新能源敞篷車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一套可靠的設(shè)計方法。

2 小型新能源敞篷車車身結(jié)構(gòu)特點

為保護動力電池和合理布置整車載重，小型新能源敞篷車動力電池一般安裝于車身中部位置，而這也讓整個車身下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大變化。

為確保足夠的成員空間，小型新能源汽車的前/后懸都設(shè)計得較短，在發(fā)生碰撞時，碰撞力傳遞、潰縮變形和吸能性能等方面表現(xiàn)較差。且其白車身上體為“敞開式”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1，A 柱與B 柱上端是“斷橋式”結(jié)構(gòu)，其能量傳遞路徑是斷開的，能量無法從A 柱上端向車后傳遞，需下車體結(jié)構(gòu)承擔(dān)更多的碰撞能量傳遞和吸能作用。

圖1 新能源敞篷車示意圖

3 小型新能源敞篷車車身設(shè)計基本要求

小型新能源汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足模態(tài)、剛度和強度等靜態(tài)性能以及國家汽車行業(yè)相關(guān)的動態(tài)性能及法規(guī)要求。如GB11551-2014《汽車正面碰撞的成員保護》、GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞乘員保護》、FMVSS-208《乘員碰撞保護》、GB11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》、GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》等。

4 小型新能源敞篷車靜態(tài)性能分析及優(yōu)化

4.1 車身模態(tài)分析及優(yōu)化

結(jié)合小型新能源敞篷車結(jié)構(gòu)特點、整車性能指標(biāo)以及對行業(yè)敞篷車結(jié)構(gòu)對標(biāo)分析，設(shè)定了敞篷車車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)＞22Hz，彎曲模態(tài)＞25Hz和前艙橫擺模態(tài)＞75Hz。因敞篷車上車體為“敞開式”的結(jié)構(gòu)，車身抗扭轉(zhuǎn)/彎曲加強結(jié)構(gòu)主要在兩側(cè)門檻上，如圖2（a）所示，并在動力電池正下方增加“X”形構(gòu)件（b），其通過螺栓與車身連接。經(jīng)CAE 仿真分析，各模態(tài)指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求，如圖2（c）及表1 所示。

表1 模態(tài)仿真結(jié)果

圖2

4.2 車身強度分析及優(yōu)化

車身強度即發(fā)生碰撞時車身抵抗變形的能力，車身強度不足時將導(dǎo)致車身發(fā)生開裂、斷裂、塑變及壓潰，使車身喪失安全使用功能而無法保乘成員安全。

小型新能源敞篷車受車內(nèi)空間需求、動力電池的布置及“敞開式”車身結(jié)構(gòu)等因素影響，為保證車身強度，內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用了大量的高強度鋼板（強度＞1200MPa）。如圖3 所示，車身門框前/后轉(zhuǎn)角處應(yīng)力最大有138MPa（側(cè)圍外板材料＞145MPa），車身結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 強度仿真分析示意圖

4.3 車身剛度分析及優(yōu)化

車身剛度即車身抗變形能力，與整車耐用性、安全性、舒適性、駕駛性能等息息相關(guān)。結(jié)合新能源敞篷車性能定義要求，根據(jù)其車身結(jié)構(gòu)特點，設(shè)定了剛度性能指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)剛度＞8500N.m/deg、 彎 曲 剛 度＞7500N/mm。對標(biāo)行業(yè)敞篷車車身結(jié)構(gòu)，在動力電池正下方增加“X”形構(gòu)件，CAE 分析如表2 所示，整車剛度滿足指標(biāo)要求。

表2 剛度仿真結(jié)果

5 小型新能源敞篷車動態(tài)性能分析

5.1 GB11551-2014 《汽車正面碰撞的成員保護》分析

小型新能源汽車整車尺寸小，為保證更大的乘員空間，犧牲了其前/后懸的長度，而前懸長度又直接決定汽車正面碰撞吸能空間，影響整車正面碰撞性能。為解決正面碰撞問題，設(shè)計了三條傳力路徑的三級傳力車身結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 傳力路徑示意圖

路徑①縱梁作為主要傳力通道，碰撞后第一時間有效地將碰撞力傳遞至門檻邊梁。

路徑②副車架上設(shè)計一個吸能橫梁結(jié)構(gòu)，通過副車架傳遞碰撞力至車身前三橫梁構(gòu)件上，形成一個“空間三角體”傳力結(jié)構(gòu)，再借助電池包兩側(cè)結(jié)構(gòu)加強梁向后傳力。

路徑③車身上設(shè)計一個“金字塔”式的Shotgun 合件，作為第三條傳力路徑，將碰撞力通過車門上/下縱梁向后傳遞。

如圖5 所示，經(jīng)50km/h 正面碰撞分析，乘員艙結(jié)構(gòu)完整，滿足GB11551 法規(guī)要求。

圖5 50km/h正面碰撞仿真試驗示意圖

5.2 GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞乘員保護》分析

敞篷車側(cè)面碰撞時，入侵車內(nèi)乘員空間的主要結(jié)構(gòu)件有車體門檻、B 柱、車門和防翻滾裝置等，其碰撞力的傳遞路徑如圖6（a）所示。經(jīng)仿真分析可知，門檻與B 柱處承受的力最大，此處車門入侵量也是最大的。為減小入侵量，優(yōu)化車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及零件選材，如圖6（b）所示：

圖6 傳力路徑圖

（1）將門檻結(jié)構(gòu)截面增大，門檻內(nèi)板采用料厚2.0mm 的高強度熱成型鋼（1500MPa），同時加大B 柱接角結(jié)構(gòu)件；

（2）車門后下角內(nèi)增加一個料厚2.0mm的熱成型鋼（1500MPa）加強板。

（3）車內(nèi)增加“人”字形傳力熱成型管梁構(gòu)件（1500MPa），管梁直徑φ25mm，料厚1.5mm。

通過CAE 仿真及實車碰撞驗證可知，該設(shè)計滿足側(cè)面碰撞法規(guī)GB20071-2006要求，如圖7、表3 所示。

表3 乘員傷害測試結(jié)果表

圖7 側(cè)向碰撞仿真圖

5.3 GB20072-2006 《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》及GB/T31498-2021《電動汽車碰撞后安全要求》分析

動力電池布置在車身前后軸之間，通過螺栓將動力電池與車身連接。結(jié)合動力電池安全性能要求制定了仿真評價指標(biāo)：電池包及支架最大侵入量≤5mm，蓄電池及支架最大應(yīng)變≤0.35。經(jīng)CAE 仿真分析及實車驗證，結(jié)果如圖8 所示，電池包侵入量為3.5mm，蓄電池及支架最大應(yīng)變≤0.016，本設(shè)計滿足GB20072-2006、GB/T31498-2021 要求。

圖8 整車后碰CAE仿真示意圖

5.4 GB11552-2009 《乘用車內(nèi)部凸出物》分析

作為一款小型新能源汽車，以經(jīng)濟性為核心，簡化內(nèi)飾造型及車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免內(nèi)部凸出物超出法規(guī)限值要求。為保證基本安全性能要求，利用CAE 模擬碰撞仿真，降低內(nèi)部突出物高度設(shè)計，并經(jīng)試車碰撞驗證，其結(jié)果如圖9、表4 所示，滿足GB11552 法規(guī)要求。

表4 敞篷車內(nèi)部凸出物動態(tài)試驗仿真

圖9 乘用車人體頭部模擬碰撞仿真示意

5.5 GB14167-2013 《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》分析

敞篷車無B 柱上體結(jié)構(gòu)，需在座椅后方設(shè)計一個：“虛擬B 柱”為安全帶提供安裝點。結(jié)合敞篷機構(gòu)布置要求，在后地板上設(shè)計截面積為35000mm矩形結(jié)構(gòu)，其與防翻裝置設(shè)計組成“龍門式”框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)CAE 仿真分析，結(jié)果如圖10、表5所示，滿足GB14167法規(guī)要求。

表5 車身及座椅最大應(yīng)變表

圖10 CAE分析的示意圖

5.6 FMVSS-208《乘員碰撞保護》分析

受軟頂敞篷機構(gòu)及其強度影響，需增加翻滾保護系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)由兩部分結(jié)構(gòu)組成，如圖11 所示。第一部分結(jié)構(gòu)為在座椅靠背后增加一個“方梁式”防滾裝置，主體結(jié)構(gòu)截面為矩形。其主體結(jié)構(gòu)上方焊接兩根高強度折彎鋼管，通過焊接和螺栓連接的組合方式與車身側(cè)圍連接形成整體結(jié)構(gòu)。第二部分結(jié)構(gòu)為在左/右A 柱增加高強度折彎鋼管結(jié)構(gòu)，折彎鋼管通至B 柱處。防滾裝置上的兩根折彎鋼管上端與A 柱上的折彎鋼管的上端形成“理論支撐平面”，形成翻滾保護系統(tǒng)。

圖11 翻滾保護系統(tǒng)設(shè)計示意

模 擬 以48.5km/h 時 速， 側(cè) 向 進 行翻滾試驗仿真，翻滾過程中，地面最大受力為55kN，假人頭部離地最小距離大于32.5mm，車身結(jié)構(gòu)入侵量均小于35mm，結(jié)果表明此翻滾保護系統(tǒng)滿足美國高速公路安全管理局（NHTSA）制定的FMVSS208 測試標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖12 和表6 所示。

表6 車身結(jié)構(gòu)侵入量分析結(jié)果表

圖12 地面與車身接觸力

5.7 其它動態(tài)性能分析

根據(jù)敞篷車的特殊性和用戶應(yīng)用場景出發(fā)，綜合實際工況，制定了2 項模擬頂壓分析的工程指標(biāo)：（1）頂部加載正向下裝置力，車身結(jié)構(gòu)可承受力＞45kN；（2）受力45kN 時車身變形位移量＜85mm。通過CAE仿真分析如圖13，本軟頂敞篷車最大可承受87.1kN，滿足目標(biāo)設(shè)定；受力達45kN 時，頂蓋變形量為83.5mm，滿足目標(biāo)設(shè)定。

圖13 頂部抗壓強度分析

6 結(jié)語

本文著眼于小型新能源軟頂敞篷車結(jié)構(gòu)安全性不足的缺陷，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并進行CAE 仿真試驗驗證，結(jié)果表明，本設(shè)計安全性良好，符合GB11551-2014、GB20071-2006、GB20072-2006、GB11552-2009、GB14167-2013、FMVSS-208 等 國 家安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具有良好安全性，為敞篷車設(shè)計提供參考借鑒。