黃偉科，何 健

(上海汽車集團股份有限公司新能源汽車事業(yè)部，上海 201804)

前言

燃料電池汽車使用氫氣作為能源，最終排放的是清潔的水，在節(jié)約石油資源和保護環(huán)境方面都體現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性，因此被視為下一代汽車的一種主要解決方案［1］。燃料電池轎車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機轎車相比，在整車動力系統(tǒng)和布置上有很大的差異，因此其整車結(jié)構(gòu)須作相應(yīng)的調(diào)整，其設(shè)計思路和驗證方法都要進行針對性的研究。研究燃料電池轎車碰撞結(jié)構(gòu)安全設(shè)計是其安全性研究的重要組成部分。本文中借助有限元碰撞模擬分析方法，通過某燃料電池轎車開發(fā)過程中的設(shè)計方案和驗證結(jié)果，對有限元碰撞模擬方法進行了研究和總結(jié)。

1 碰撞結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

某型燃料電池轎車選用已經(jīng)上市的中高檔內(nèi)燃機轎車作為平臺車型，在其基礎(chǔ)上進行改制設(shè)計而成，取消了原車前艙布置的發(fā)動機和變速器等機構(gòu)，取而代之的是燃料電池動力系統(tǒng)相關(guān)的部件，分別被布置在整車的前、中和后部，見圖1。從圖1可見，相對傳統(tǒng)的內(nèi)燃機轎車，整車布置有明顯的變化。

整車碰撞結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的原則是:確保在碰撞過程中和碰撞之后，乘員的人身安全不受影響，車上涉及安全的部件不遭破壞。

1.1 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計思路

該燃料電池轎車的燃料電池動力系統(tǒng)和內(nèi)燃機系統(tǒng)相比，其質(zhì)量和體積都增加了，使整車的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量特性都發(fā)生了較大的變化，當(dāng)車輛碰撞后，可能會產(chǎn)生對安全更為不利的變形。為確保整車結(jié)構(gòu)的剛、強度，除盡量保證車身主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞外，還須適當(dāng)加強整車的結(jié)構(gòu)。為滿足燃料電池動力系統(tǒng)零部件的布置和安裝要求，對部分區(qū)域須進行修改或重新設(shè)計，確保該區(qū)域和整體的剛、強度能夠滿足要求。在碰撞結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計過程中，除了關(guān)注原車結(jié)構(gòu)件的性能表現(xiàn)外，還須重點關(guān)注新設(shè)計的結(jié)構(gòu)件的性能［2］。

下面按整車的前、中和后部來具體介紹該燃料電池轎車結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計。

1.2 前部結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

燃料電池轎車車身前部布置了燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)、動力管理系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)，其整體質(zhì)量大于原車發(fā)動機和變速器的質(zhì)量，因原車前部車身結(jié)構(gòu)的強度較好，故對其未作大的更改，僅在前懸架支撐上做了局部加強，并增加了部分零件的安裝支架。同時，前艙的燃料電池動力系統(tǒng)集成化和模塊化程度較高，整體固定在前副車架上，方便拆裝和調(diào)試。為保證承載可靠，選擇了其他車型的一個前副車架，并經(jīng)CAE輔助設(shè)計，對它進行了修改，形成了全新的前副車架(見圖2)，用來替換原車副車架。

1.3 中部結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

燃料電池轎車中部的車身地板下方布置了雙向DC/DC和高壓動力蓄電池，如圖3所示。根據(jù)這兩個主要總成部件及相關(guān)系統(tǒng)的布置情況，對該區(qū)域的地板做了改制和加強設(shè)計。其中包括:修改地板結(jié)構(gòu)形狀以適應(yīng)部件的布置;增加中央通道的加強橫梁，并與座椅橫梁連接后形成一條橫向的脊梁以提高整車在側(cè)面碰撞時的耐撞性;后座底部的動力蓄電池區(qū)域增加了前后兩根橫貫車身的橫梁，分別連接中后地板橫梁的兩端以及左、右后縱梁，與其形成一個框架結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)梁的組合對整車發(fā)生側(cè)面碰撞時，保證結(jié)構(gòu)的完整性有較大的幫助。

1.4 后部結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

燃料電池轎車后部區(qū)域由于布置了氫氣儲存系統(tǒng)，和原車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大面積干涉，因此原車型后地板的連接板與加強板和備胎艙必須拆除，同時根據(jù)氫氣儲存系統(tǒng)的位置與整體結(jié)構(gòu)的剛、強度要求，設(shè)計了新的后地板，如圖4所示。另外，考慮到后懸架的質(zhì)量增加較多，在后輪罩的后懸架支撐區(qū)域須做局部加強［3］。

因考慮到后部碰撞對氫瓶的影響，在車身后圍和儲氫系統(tǒng)之間還增加了防撞梁結(jié)構(gòu)(見圖5)，當(dāng)受到后部碰撞時，防撞梁能夠幫助有效地吸收碰撞能量，以免氫瓶和含有氫氣的輔助系統(tǒng)受到超出限度的傷害［4］。

2 碰撞結(jié)構(gòu)安全評價

由于實車碰撞試驗代價過于昂貴，故本文中主要采用軟件模擬來驗證樣車的碰撞安全性。由于資源和時間有限，設(shè)置假人模型會對整個計算過程增加很多工作量，因此，暫時采用不含假人的燃料電池轎車模型進行碰撞模擬，僅通過結(jié)構(gòu)變形造成的對乘員空間的影響以及一些參考點的加速度值來判斷其是否滿足碰撞安全要求。

在對該車的碰撞安全評價過程中，除按國標(biāo)要求選擇前撞、側(cè)撞和后撞3種碰撞工況外，還按歐洲ECE R94標(biāo)準(zhǔn)進行了40%偏置可變形壁障碰撞(40%ODB)，作為評價碰撞安全的參考。

2.1 40%偏置可變形壁障碰撞(40%ODB)和100%剛性固定壁障碰撞(100%RB)

40%ODB是按歐洲ECE R94標(biāo)準(zhǔn)進行，車輛以56km/h的速度和可變形壁障發(fā)生正面40%偏置碰撞。100%RB是按國標(biāo)GB11551—2003進行，車輛以48km/h的速度和剛性壁障發(fā)生碰撞。圖6分別為兩種碰撞情況下模型的整體變形狀態(tài)。

從圖6可看出，整車的結(jié)構(gòu)，尤其是乘員艙的結(jié)構(gòu)并沒有遭受到致命性的破壞;修改后的乘員艙地板、前副車架和后地板結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出良好的性能，雖然部分區(qū)域發(fā)生永久的塑性變形甚至破裂，但基本上沒有發(fā)生嚴(yán)重的破壞，從而導(dǎo)致車身發(fā)生影響乘員安全的整體性結(jié)構(gòu)損壞。因此，包括幾處修改區(qū)域在內(nèi)的整車結(jié)構(gòu)能夠滿足100%RB和40%ODB的安全要求。

通過觀察前圍板上設(shè)定區(qū)域的變形量，可發(fā)現(xiàn)乘員艙前排乘員乘坐空間受壓縮情況，并對前排乘員安全狀況加以判斷。碰撞過程中，B柱下端和中央通道處的減速度值一定程度上代表了乘員的減速度值。當(dāng)減速度過高時，會導(dǎo)致乘員的內(nèi)部身體器官受到傷害。因此，選擇B柱下端和中央通道處的減速度作為檢測項目［5］。

2.2 側(cè)面碰撞

側(cè)面碰撞按國標(biāo) GB20071的要求進行，以950kg的前部可變形小車側(cè)面偏27°撞擊模型左側(cè)R點。通過觀察碰撞后模型的整體變形狀態(tài)可看出，新設(shè)計的地板表現(xiàn)出了較好的耐撞性，地板區(qū)域未發(fā)生嚴(yán)重的變形和斷裂。

圖7為側(cè)面碰撞過程中，左側(cè)圍上的點到整車橫向中心平面(Y=0)的距離，即車身發(fā)生碰撞后乘員的殘余空間。若低于500mm則表示會對坐在左側(cè)的乘員造成傷害。從圖7可看出，最小距離為513mm，超過500mm的安全距離要求，說明該燃料電池轎車滿足整車側(cè)面碰撞對人身安全的要求。

2.3 后部碰撞

后部碰撞按國標(biāo)GB20072的要求進行?？紤]到后部安裝的儲氫系統(tǒng)的安全性，最后在GB20072的基礎(chǔ)上再增加20%的碰撞能量，用1 100kg的剛性小車模型以54.8km/h的速度撞擊模型后部。圖8為碰撞前后模型整體變形狀態(tài)，可看出乘員艙的主體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大的變形，儲氫系統(tǒng)也基本在原位，沒有侵入乘員艙，也未受到明顯的擠壓和碰撞。因此，該燃料電池轎車的設(shè)計基本滿足后部碰撞的結(jié)構(gòu)安全要求。

綜上所述，對于前排乘員的人身安全保護還存在缺陷，需要改進。

3 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計改進和評價

3.1 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計改進

經(jīng)仿真分析，燃料電池轎車碰撞結(jié)構(gòu)安全性能未完全達(dá)到要求的主要原因如下。

(1)前艙燃料電池動力系統(tǒng)部件質(zhì)量較大，且因氫安全和高壓電安全的考慮，整體結(jié)構(gòu)剛性較大，在有限元模型中大多以剛體形式表現(xiàn)，導(dǎo)致在碰撞過程中自帶能量較大卻不會發(fā)生變形，無法吸收碰撞能量，整體撞上前圍板并侵入乘員艙。

(2)前艙燃料電池動力系統(tǒng)部件體積較大，導(dǎo)致前艙布置異常緊湊，部件至前圍板和前端模塊的距離過小，僅有100mm左右，如圖9所示。按照經(jīng)驗，最好能保證有250mm的距離。在碰撞過程中，前艙中這些大型剛體化的動力系統(tǒng)零部件造成了前艙可壓縮空間不足，從而前縱梁中間段整體變形也相應(yīng)不足，無法吸收更多的碰撞能量，導(dǎo)致前艙零部件撞入乘員艙。

根據(jù)上述分析可看出，除非減少布置在前艙中燃料電池的零部件，或大幅減小零部件的體積并重新布置，否則問題無法徹底解決。但由于目前燃料電池動力系統(tǒng)在質(zhì)量與體積方面的局限性，暫時無法做到。因此，只能在前艙動力系統(tǒng)零部件不變的前提下，通過其他的優(yōu)化方法進行改善。

前縱梁是在前部碰撞中至關(guān)重要的部件，通過在100%RB模擬中，對前縱梁變形模式的觀察，發(fā)現(xiàn)前縱梁的變形主要集中在前部和后部，如圖10所示，而后部區(qū)域的變形加劇了前艙燃料電池動力系統(tǒng)對乘員艙擠壓。左/右前縱梁的變形量分別為249mm和254mm。

考慮到前艙可壓縮的空間有限，以及燃料電池轎車碰撞能量要大于原平臺車，因此，可在保證前縱梁變形量的前提下，適當(dāng)增大前縱梁的剛、強度，使其變形時能夠吸收更多的能量，減少前艙中的動力系統(tǒng)部件對乘員艙的沖擊?？v梁剛、強度的增加可考慮放在后側(cè)變形區(qū)域(此處原縱梁上有一個明顯的角度變化，剛度相比前段稍弱)。這樣，主要變形區(qū)域就可轉(zhuǎn)移到前縱梁的前部和中部。具體的設(shè)計更改如圖11所示，分別在左/右前縱梁的后部內(nèi)側(cè)增加一塊2.0mm厚度的加強板，以增加前縱梁主要是其后部的剛、強度。

3.2 評價驗證

燃料電池轎車按照相同的工況進行了100%RB和40%ODB的有限元模擬驗證，其改進前和改進后的碰撞結(jié)果見表1。

表1 改進前后100%RB和40%ODB乘員艙侵入量及加速度值對比

從表1可看出，通過對前縱梁的修改，在100%RB和40%ODB中，乘員艙的情況得到明顯的改善?；旧纤械某钪笜?biāo)已經(jīng)得到改善，其中大部分指標(biāo)已滿足要求，但還有部分未達(dá)到目標(biāo)值。B柱的減速度值相對于改進前有一定的上升，這主要是由于前縱梁剛度的增加造成整車的剛度也相對增加了，在碰撞過程中，剛度越高，傳遞到后面的能量就越高，乘員所受的減速度值也越大。因此剛度并不是增加的越多越好。

在100%RB中，前縱梁的主要變形區(qū)域由前部和后部轉(zhuǎn)移到了前部和中部，這有助于減小對乘員艙的沖擊。另外在改進后的碰撞過程中，左/右前縱梁的變形量相對改進前也有所增加，達(dá)到262mm/279mm，分別增加了13mm/25mm，這說明碰撞過程中，前縱梁吸收了更多的碰撞能量，這也提高了乘員艙中的乘員安全系數(shù)。

盡管設(shè)計更改為整車碰撞結(jié)構(gòu)安全性帶來明顯的改善，但許多區(qū)域還是沒有達(dá)到目標(biāo)值，這為燃料電池轎車的乘員帶來了安全風(fēng)險。事實上，由于前面所述原因的存在，在經(jīng)過根據(jù)多種改制設(shè)計方案進行的碰撞模擬后發(fā)現(xiàn)，無法在現(xiàn)有的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布置前提下使整車的結(jié)構(gòu)完全滿足碰撞安全要求。前部剛度增加的過多，使乘員在碰撞過程中的減速度超過身體的負(fù)荷。上述對前縱梁的修改方案是一個效果較好又簡單易行的方案。

4 結(jié)論

(1)燃料電池轎車碰撞能量較傳統(tǒng)轎車更大，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要提高整車的剛度和強度，以保護乘員的人身安全。但過大的剛度容易導(dǎo)致碰撞時乘客有過大的減速度，反而對人體有傷害。

(2)由于前艙的動力系統(tǒng)是集成化和模塊化設(shè)計，且考慮到安裝維護方便，一般都會采取固定在前副車架上并一起安裝到車身上的方案，導(dǎo)致前副車架的承載能力要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機轎車，因此對副車架及其與車身的連接點必須進行加強設(shè)計。

(3)在前艙中，動力系統(tǒng)與前圍板和前保險杠橫梁之間的空間應(yīng)保持有250mm的最小距離，以便留出足夠的前縱梁的潰縮距離，使其吸收盡可能多的碰撞能量。

(4)對于燃料電池轎車上一些特殊的與安全性有關(guān)的部件，如高壓蓄電池和氫瓶等，必須對其設(shè)計較為可靠的防護措施，對這些部件周圍的車身或者底盤結(jié)構(gòu)做局部的加強設(shè)計，甚至可考慮做一些主動的吸能設(shè)計，確保這些安全部件在碰撞過程中不受影響。

(5)目前燃料電池轎車的碰撞安全性一般只能通過有限元仿真來進行驗證，無法利用實際的碰撞試驗對仿真結(jié)果作對比驗證，相信今后會逐步解決目前碰撞結(jié)構(gòu)安全設(shè)計研究的局限性。

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