純電動(dòng)汽車的前艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

曾軍亮

（201114 上海市 華人運(yùn)通（江蘇）技術(shù)有限公司上海分公司）

0 引言

純電動(dòng)汽車的安全性和舒適性已成為影響消費(fèi)者選擇的重要因素[1]。在車輛碰撞事故中，正面碰撞的型式分為正面100%重疊剛性壁障碰撞、40%重疊可變形壁障碰撞和25%重疊剛性壁障碰撞，這三種碰撞均對(duì)車身結(jié)構(gòu)和乘員生命安全有一定影響[2]。汽車前艙結(jié)構(gòu)對(duì)正面碰撞的影響較大，設(shè)計(jì)汽車前艙結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)首先考慮汽車的結(jié)構(gòu)耐撞性[3]。本文對(duì)某車型的前艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行100%重疊剛性壁障碰撞工況分析，從吸能效率、縱梁壓潰狀態(tài)、乘員艙侵入量、B 柱加速度等方面進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證前艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

1 前艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 前艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前艙位于汽車前部，為整車的動(dòng)力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等提供安裝空間，并具有吸收和傳遞碰撞能量的功能[4]。將汽車前艙分為潰縮和非潰縮2 個(gè)區(qū)域，如圖1 所示。潰縮區(qū)域的設(shè)計(jì)策略是使結(jié)構(gòu)最大限度地吸收能量，可采取的措施是增大吸能盒截面，增加料厚，采用多邊形結(jié)構(gòu)等。非潰縮區(qū)域的設(shè)計(jì)策略是保持前艙后端結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保護(hù)高低壓電器件，如IPEU、保險(xiǎn)絲盒、蓄電池，高壓線束等，保護(hù)高低壓電安全。

圖1 前艙區(qū)域劃分Fig.1 Area division of front cabin

1.2 吸能盒和防撞梁設(shè)計(jì)

吸能盒位于防撞梁和縱梁之間，碰撞時(shí)壓潰變形吸收能量。防撞梁吸收部分沖擊力并傳遞至吸能盒，再由吸能盒傳遞至縱梁[5]。防撞梁采用高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)，由內(nèi)外板組成，內(nèi)外板之間通過點(diǎn)焊連接。內(nèi)板材料牌號(hào)為CR780T/420Y，料厚為1.4 mm，外板材料牌號(hào)為CR980T/700Y，料厚為1.6 mm。防撞梁結(jié)構(gòu)如圖2所示，中間位置的截面形狀為“B”字型，截面尺寸如圖3 所示。吸能盒采用擠壓鋁型材設(shè)計(jì)，材質(zhì)為6063，料厚為2.2 mm，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。截面形狀為“日”字型，截面尺寸如圖5所示。防撞梁和吸能盒組成一個(gè)小子系統(tǒng)，通過螺栓連接，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。在碰撞過程中，吸能盒或防撞梁受到損壞，重新?lián)Q一套件即可。換件只涉及到吸能盒和防撞梁，不涉及縱梁，能夠節(jié)約成本，“耐撞性和維修經(jīng)濟(jì)型”測(cè)試可以獲得“良好”評(píng)價(jià)。

圖2 防撞梁結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of anti-collision beam

圖3 防撞梁截面尺寸Fig.3 Section size of anti-collision beam

圖4 吸能盒結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of energy-absorbing box

圖5 吸能盒截面尺寸Fig.5 Section size of energy-absorbing box

圖6 吸能盒和防撞梁連接Fig.6 Connection between energy-absorbing box and anti-collision beam

1.3 前縱梁設(shè)計(jì)

前縱梁是汽車的重要承載部件，汽車碰撞過程中前縱梁是主要的吸能部件[6]。前縱梁采用高強(qiáng)擠壓鋁型材設(shè)計(jì)，材質(zhì)為6063，外框料厚2.6 mm，橫筋料厚為2.2 mm，截面形狀為“目”字型，截面尺寸如圖7 所示。

圖7 前縱梁截面尺寸Fig.7 Section size of front rail

1.4 前臂梁設(shè)計(jì)

前臂梁結(jié)構(gòu)既是傳力結(jié)構(gòu)又是吸能結(jié)構(gòu)，可有效提高潰縮區(qū)吸收的能量，結(jié)構(gòu)如圖8 所示。前臂梁長度從縱梁前端延伸至H 柱，將載荷傳遞到H 柱上端，降低H 柱下端的載荷。

圖8 前臂梁結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of forearm beam

1.5 三電橫梁設(shè)計(jì)

三電橫梁布置在非潰縮區(qū)域，主要集成前艙的高低壓電元器件。三電橫梁采用”井”字框設(shè)計(jì)，由鑄鋁件和擠壓鋁件組成，材質(zhì)為鋁合金，結(jié)構(gòu)如圖9 所示。鋁合金密度小，較傳統(tǒng)的鋼制三電橫梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少約1/3，滿足輕量化需求。

圖9 三電橫梁結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of three electric beam

2 有限元仿真模型的建立

有限元分析法貫穿于整個(gè)汽車開發(fā)過程中，能有效縮短研發(fā)周期、降低試驗(yàn)數(shù)量和成本，并能快速迭代，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的問題，提升新車型的研發(fā)效率[7]。為了對(duì)整車正面100%重疊剛性壁障碰撞工況進(jìn)行分析，需建立整車有限元模型。模型建立和性能分析的步驟為：（1）將模型導(dǎo)入ANSA，進(jìn)行幾何清理；（2）抽中面，劃分網(wǎng)格；（3）檢查網(wǎng)格質(zhì)量，消除干涉穿透等；（4）賦材料屬性；（5）建立連接；（6）設(shè)置邊界條件；（7）提交軟件計(jì)算；（8）分析優(yōu)化。

正面100%重疊剛性壁障碰撞工況的速度為50 km/h，整車質(zhì)量為2 860 kg。汽車碰撞過程中，遵守能量守恒定律，動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，動(dòng)能減小，內(nèi)能增大。碰撞過程中會(huì)產(chǎn)生沙漏能，沙漏能不能超過總能量的5%[8]。有限元模型的能量變化曲線如圖10 所示?？偰芰炕静蛔?，動(dòng)能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，沙漏能未超過總能量的5%，認(rèn)為模型準(zhǔn)確，可以用于下一步分析。

圖10 能量變化曲線Fig.10 Curve of energy change

3 仿真結(jié)果分析

3.1 前端吸能分析

整個(gè)碰撞過程中總內(nèi)能為275 kJ。吸能盒、前縱梁和前臂梁能量吸收和吸能占比如表1所示。吸能盒、前縱梁和前臂梁吸收能量之和占總能量的43.7%。

表1 吸能盒、縱梁和前臂梁吸能占比Tab.1 Ratio of energy absorption for energy-absorbing box,front rail and forearm beam

3.2 車身結(jié)構(gòu)變形分析

仿真結(jié)果如圖11 所示，吸能盒和前縱梁呈軸向壓潰狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)需求。門框和乘員艙保持完整，H 柱和A 柱變形較小，不影響門的開啟和關(guān)閉。碰撞發(fā)生時(shí)，乘員艙需有足夠的生存空間，即乘員艙的變形應(yīng)在合理范圍內(nèi)。Dash 的動(dòng)態(tài)侵入量為62.8 mm，如圖12 所示。Dash 的動(dòng)態(tài)侵入量小于100 mm，滿足C-NCAP 五星安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 前縱梁壓潰狀態(tài)Fig.11 Crushing condition of front rail

圖12 Dash 變形圖Fig.12 Deformation of Dash

3.3 B 柱加速度

左右B 柱下端安裝有傳感器裝置，故一般以B柱加速度作為評(píng)價(jià)乘員受到的加速度，加速度越大，整車受的沖擊就越大，乘員受損程度越高。B 柱加速度曲線如圖13 所示，其中有效加速度為20g，加速度峰值為32.6g，小于35g，滿足目標(biāo)要求。

圖13 B 柱加速度Fig.13 Acceleration of B-pillar

4 結(jié)論

從前艙設(shè)計(jì)策略出發(fā)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了吸能盒、防撞梁、前縱梁、前臂梁和三電橫梁結(jié)構(gòu)。進(jìn)行了正面100%重疊剛性壁障碰撞工況分析，吸能盒和縱梁呈軸向壓潰狀態(tài)。吸能盒吸收了10.2%的能量，前縱梁吸收了31.2%的能量，前臂梁吸收了6.2%的能量，吸能盒、前縱梁和前臂梁吸收能量之和占總能量的43.7%，滿足設(shè)計(jì)要求。Dash 動(dòng)態(tài)侵入量為62.8 mm，B 柱有效加速度為20g，最大加速度為32.6g，乘員艙保持完整，A 柱和H 柱結(jié)構(gòu)變形較小，均滿足性能要求，驗(yàn)證了前艙結(jié)構(gòu)的有效性。得到以下結(jié)論：

（1）在前艙前段增加吸能盒、縱梁和前臂梁結(jié)構(gòu)，提高整車的吸能效率；（2）在前艙后段增加三電橫梁結(jié)構(gòu)，集成高低壓電元器件，保護(hù)高低壓電安全；（3）高效的前艙結(jié)構(gòu)，碰撞發(fā)生時(shí)能保持乘員艙結(jié)構(gòu)完整，減小乘員艙變形，降低B柱加速度，保護(hù)乘客安全。