雷正?！⌒ち州x　陽(yáng)　彪　寧　寒

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院　長(zhǎng)沙　410004)

?

純電動(dòng)汽車(chē)的碰撞相容性與NVH多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化*

雷正保肖林輝陽(yáng)彪寧寒

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院長(zhǎng)沙410004)

摘要：為提高純電動(dòng)汽車(chē)的碰撞相容性與NVH綜合性能，文中在車(chē)身概念設(shè)計(jì)階段，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，以純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身剛度和平均頻率最大為目標(biāo)，結(jié)合碰撞相容性指標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.結(jié)果表明，該方法能有效地提高純電動(dòng)汽車(chē)的碰撞相容性，還能提高車(chē)身低階模態(tài)頻率，達(dá)到改善純電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全性與舒適性的目的.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；拓?fù)鋬?yōu)化；多目標(biāo)優(yōu)化；碰撞相容性；NVH

雷正保(1964- )：男，工學(xué)博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠?chē)安全技術(shù)

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：51175050)

0引言

目前由于汽車(chē)車(chē)型的多樣化發(fā)展，使得汽車(chē)碰撞相容性問(wèn)題尤為突出.碰撞相容性是指汽車(chē)在碰撞中既可以保護(hù)自己的乘員同時(shí)又保護(hù)對(duì)方車(chē)內(nèi)乘員的特性，在碰撞中，只有2車(chē)內(nèi)的乘員死亡率都很低時(shí)才表明2車(chē)具有良好的相容性[1].

針對(duì)汽車(chē)的碰撞相容性問(wèn)題，近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[2]研究了微型客車(chē)與一般乘用車(chē)車(chē)身前部結(jié)構(gòu)的差異，得出該差異是造成兩車(chē)較大不相容的主要原因.文獻(xiàn)[3]研究了SUV與轎車(chē)的碰撞，得出次級(jí)吸能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)能夠提升SUV與轎車(chē)的碰撞相容性.文獻(xiàn)[4]通過(guò)改進(jìn)某重型卡車(chē)保險(xiǎn)杠的剛度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了轎車(chē)與重卡的碰撞相容性的優(yōu)化設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[5]利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，結(jié)合正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)比吸能和輕量化對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)頭部進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)的研究碰撞相容性提供了新的設(shè)計(jì)思路.

上述對(duì)碰撞相容性研究都是車(chē)身構(gòu)型已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，在形狀和尺寸方面做優(yōu)化.以往為了改善碰撞相容性，簡(jiǎn)單對(duì)于質(zhì)量較小的車(chē)輛增加前端剛度，以提高自身的碰撞安全性，這是不科學(xué)的，并且這些研究局限在單目標(biāo)問(wèn)題上[6-7]，僅僅是單目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化很難得到滿足實(shí)際工程最優(yōu)結(jié)構(gòu).白車(chē)身的振動(dòng)特性對(duì)整車(chē)的動(dòng)態(tài)特性具有決定性的意義，它不僅影響汽車(chē)的剛度、強(qiáng)度、可靠性和使用壽命，還影響乘坐舒適性[8].因而有必要在研究碰撞相容性的同時(shí)綜合考慮車(chē)身的NVH(noise、vibration and harshness)性能，以達(dá)到多目標(biāo)優(yōu)化目的.

為了提高純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身的碰撞相容性與NVH性能，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最初階段融入碰撞相容性評(píng)估方法，建立多目標(biāo)加權(quán)下的目標(biāo)函數(shù)模型，以車(chē)身剛度和平均頻率最大為目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身進(jìn)行多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化.

1耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法

采用HCA算法中常用的固體各向同性懲罰微結(jié)構(gòu)插值SIMP模型(solid isotropic microstructure with penalization).

在HCA算法中，每個(gè)元胞i的狀態(tài)由設(shè)計(jì)變量xi(相對(duì)密度)和場(chǎng)變量Si(內(nèi)能密度)來(lái)定義.該算法的基本準(zhǔn)則是最少的材料達(dá)到最大的剛度.

2碰撞相容性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

2.1相容性影響分析

影響碰撞相容性的因素主要有3個(gè)，即汽車(chē)的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度，以及幾何外形.

首先，在剛性相同的條件下，當(dāng)發(fā)生碰撞的兩車(chē)質(zhì)量不同時(shí)，質(zhì)量輕的汽車(chē)在碰撞雙方中處于不利地位，其變形較大，乘員室入侵嚴(yán)重，車(chē)內(nèi)乘員也更加危險(xiǎn)；其次，有研究表明，當(dāng)碰撞速度與汽車(chē)質(zhì)量一定時(shí)，汽車(chē)前部的最大變形量與剛度成反比，通常小車(chē)前部剛度較小，小車(chē)與大車(chē)相撞時(shí)，即便碰撞強(qiáng)度不大，小車(chē)也會(huì)出現(xiàn)較大的變形量.為此，質(zhì)量大的車(chē)應(yīng)適量降低其前部剛度，質(zhì)量小的車(chē)應(yīng)適量增加其前部剛度.另外，在幾何外形因素中影響碰撞相容性最關(guān)鍵的是行車(chē)高度，當(dāng)行車(chē)高度不同的兩車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，車(chē)輛前部承力構(gòu)件將會(huì)在縱向上錯(cuò)開(kāi)，行車(chē)高度低的車(chē)輛出現(xiàn)鉆底現(xiàn)象，這是因幾何外形所導(dǎo)致的碰撞中最危險(xiǎn)的一種情況.

考慮到針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，質(zhì)量變動(dòng)因素不是很大，要提高汽車(chē)的碰撞相容性就要從結(jié)構(gòu)剛度和幾何外形入手，改進(jìn)結(jié)構(gòu)剛度和幾何外形成為相容性研究的重點(diǎn).

2.2碰撞相容性評(píng)價(jià)方法

歐洲汽車(chē)安全加強(qiáng)委員會(huì)(EEVC)提出一種有效的完全重疊可變形壁障法(FWDB)，該方法具有準(zhǔn)確反饋出車(chē)體在碰撞過(guò)程中力的吸收與傳遞路徑，同時(shí)考慮到了汽車(chē)正面碰撞的相容性和安全性，是完全重疊碰撞測(cè)試方法中最常用的，最普及的研究手段[9-10].

根據(jù)FWDB完全重疊可變形壁障法，提出正面碰撞相容性如下2個(gè)指標(biāo)：力的平均高度AHOF和目標(biāo)行載荷垂直負(fù)偏差VNT，這里AHOF是車(chē)輛施加在壁障上的作用力的平均高度，用以評(píng)價(jià)碰撞時(shí)2車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)縱向上的錯(cuò)位.計(jì)算方法見(jiàn)式(1).AHOF的數(shù)值一般規(guī)定在500～600 mm之間，主要是考慮到SUV等車(chē)型的力的平均高度在此范圍之內(nèi)，太大或者太小都不合適.

(1)

式中：Fi為不同時(shí)間各測(cè)力單元的碰撞力；Hi為各單元高度；F(t)為某時(shí)間點(diǎn)各單元作用力的合力；HOF(t)為某時(shí)間點(diǎn)作用力平均高度.

VNT則反應(yīng)作用區(qū)內(nèi)的作用力，考查結(jié)構(gòu)碰撞力的均勻分布性，下限值規(guī)定為100 kN.VNT的計(jì)算方法見(jiàn)式(2).

THEN,ABS(Ri-TR);ELSE=0]

(2)

式中:Ri=∑Fij，fij為單元的峰值載荷.

3純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

3.1優(yōu)化模型的建立

以某品牌電動(dòng)車(chē)模型為基礎(chǔ)，并對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以完成整體車(chē)身拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型的建立.首先根據(jù)所需乘員艙的基本尺寸預(yù)留出乘員艙的基本空間，除去行李艙、車(chē)門(mén)、和風(fēng)窗玻璃等部分，預(yù)留出控制器、動(dòng)力電池等部件的布置空間，建立的三維模型，見(jiàn)圖1.

圖1　車(chē)身優(yōu)化原始構(gòu)型

在完成整體車(chē)身拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型后，對(duì)于車(chē)身設(shè)計(jì)區(qū)域采用六面體單元進(jìn)行分，為了使整個(gè)模型規(guī)模不致過(guò)大以保證計(jì)算時(shí)間，體單元尺寸設(shè)為25 mm.

3.2工況分析載荷和加載

汽車(chē)的碰撞相容性對(duì)車(chē)頭結(jié)構(gòu)提出了要求，而NVH性能針對(duì)乘坐區(qū)剛度及舒適性提出了相應(yīng)要求.

根據(jù)FWDB完全重疊可變形壁障法壁障布置形式為8行16列，每個(gè)壁障單元的尺寸為125 mm×125 mm，壁障蜂窩鋁測(cè)力單元結(jié)構(gòu)，汽車(chē)以56 km/h的速度撞擊壁障，設(shè)置壁障的第三行第四行與車(chē)頭接觸，見(jiàn)圖2.

圖2　車(chē)身碰撞有限元模型

車(chē)輛行駛中的NVH工況是復(fù)合存在的，主要針對(duì)扭轉(zhuǎn)和彎曲工況.

1) 扭轉(zhuǎn)工況針對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)在不平路面上行駛狀態(tài)車(chē)身所受載荷工況，在前軸左右車(chē)輪軸心動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩，四輪懸空, 分別釋放對(duì)應(yīng)鉸接自由度.

2) 彎曲工況針對(duì)車(chē)身滿載狀態(tài)下，行駛在平坦路面上時(shí)車(chē)身的承載情況，在前排、后排座椅中心位置4個(gè)位置施加Z向動(dòng)載荷，同時(shí)約束右前輪垂向，左前輪垂向、橫向，右后輪縱向和垂向，左后輪3個(gè)自由度.

3.3多工況下剛度拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)

工程中通常把剛度最大問(wèn)題等效為柔度最小化問(wèn)題來(lái)研究,柔度值的值為單元總應(yīng)變能值,更加方便計(jì)算與提取.由折衷規(guī)劃法可得到靜態(tài)多剛度拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù).

3.4低階模態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

以固有頻率最大化為目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)固有頻率的拓?fù)鋬?yōu)化，采用平均頻率法來(lái)研究，得到模態(tài)頻率目標(biāo)函數(shù)如下.

式中：為了調(diào)整目標(biāo)函數(shù)，給出s及δ0參數(shù)；Λ(ρ)為平均頻率； f為優(yōu)化中低階頻率的階次；δi為第i階頻率特征值；νi為第i階頻率的權(quán)重系數(shù).

3.5綜合目標(biāo)函數(shù)

綜合考慮多剛度目標(biāo)和振動(dòng)頻率目標(biāo)進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，由帶權(quán)重的折衷規(guī)劃法可得到多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的綜合目標(biāo)函數(shù).

式中：F(ρ)為多工況加權(quán)后總的目標(biāo)函數(shù)；Λmax，Λmin為模態(tài)頻率函數(shù)中的對(duì)應(yīng)的最大與最小值；w為綜合優(yōu)化中柔度目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重.

4車(chē)身優(yōu)化結(jié)果和構(gòu)型提取

將整車(chē)作為優(yōu)化區(qū)域，車(chē)身設(shè)置對(duì)稱(chēng)約束，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)a=30%的約束條件下的模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化過(guò)程中受力小的空間材料被刪除，優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)圖3.

圖3　拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

通過(guò)對(duì)優(yōu)化結(jié)果觀察可以發(fā)現(xiàn)清晰的載荷路徑，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，初步確定電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型見(jiàn)圖4.

圖4　優(yōu)化結(jié)果的提取

5拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，建立相應(yīng)的有限元模型，對(duì)其正面碰撞相容和NVH性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性.

5.1相容性驗(yàn)證分析

汽車(chē)以56 km/h的速度撞擊壁障，對(duì)此過(guò)程進(jìn)行仿真，模型撞擊壁障的接觸面力曲線見(jiàn)圖5，得出第三行的壁障接觸面力的最大值為289.34 kN，第四行接觸面力的最大值為305.27 kN，2個(gè)目標(biāo)行的載荷值均大于規(guī)定值100 kN，滿足碰撞相容性指標(biāo)VNT的要求.

圖5　測(cè)力墻接觸面力

AHOF可通過(guò)式(1)求得.其中:Fi=σi×A,σi為壁障各單元的應(yīng)力；A為各單元的面積.壁障各單元的應(yīng)力可通過(guò)軟件后處理獲得.由該方法可以得到，AHOF的值為563.23 mm，在500～600 mm之間，滿足正面碰撞相容性的要求.

3.2NVH性能驗(yàn)證分析

汽車(chē)在行駛中常受到外部和內(nèi)部的激勵(lì)而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，在車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需使車(chē)身的固有振動(dòng)頻率避開(kāi)外界激勵(lì)產(chǎn)生的頻率范圍，以避免共振，保證汽車(chē)良好的工作性能.考慮到車(chē)身低階振動(dòng)固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能影響最為顯著，故在研究系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)重點(diǎn)考慮前幾階的固有頻率和振型.

計(jì)算得到純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身自由模態(tài)下前5階頻率和振型見(jiàn)表1，位移云圖見(jiàn)圖6.

表1　車(chē)身模態(tài)分析結(jié)果

圖6　車(chē)身前三階模態(tài)振型示意圖

一般高速公路和城市較好路面的激勵(lì)多在5 Hz以下，由表1可見(jiàn)，車(chē)身前3階的振動(dòng)頻率為25.09～43.27 Hz有效地避開(kāi)了路面對(duì)汽車(chē)的激勵(lì)頻率范圍(一般為6～15 Hz)，且高于非簧載質(zhì)量的固有頻率，避免了共振的產(chǎn)生，一階彎曲模態(tài)和第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)2種固有頻率錯(cuò)開(kāi)3 Hz以上，沒(méi)有耦合效應(yīng).

5結(jié) 束 語(yǔ)

碰撞相容性問(wèn)題是車(chē)輛被動(dòng)安全的關(guān)鍵性難題，本研究在車(chē)身概念設(shè)計(jì)階段，從車(chē)身幾何構(gòu)型角度去改善碰撞相容性，通過(guò)分析影響相容性的三個(gè)重要因素，確定將碰撞力的平均高度AHOF和垂直負(fù)偏差VNT作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合NVH復(fù)合工況對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到車(chē)身構(gòu)型.

碰撞分析壁障第三行和第四行的接觸面力均大于100 kN，碰撞力的平均高度AHOF為563.23 mm，可知該優(yōu)化結(jié)果構(gòu)型滿足碰撞相容性指標(biāo)要求.車(chē)身模態(tài)分析表明，該車(chē)身振動(dòng)頻率能有效避免共振的產(chǎn)生，模態(tài)不會(huì)出現(xiàn)耦合效應(yīng).

參 考 文 獻(xiàn)

[1]FAERBER E. EEVC Research in the field of improvement of crash compatibility between passenger cars[C]. In: 18th ESV Conference Paper， Europe，2003:444-449.

[2]陳濤,李鐵柱.微型客車(chē)正面碰撞相容性研究[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào),2011,1(1):29-37.

[3]焦志勇,殷國(guó)松.次級(jí)能量吸收結(jié)構(gòu)在SUV和轎車(chē)碰撞相容性中的仿真分析[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,28(2):38-43.

[4]石冰云,趙金龍,隋濤.重型卡車(chē)和轎車(chē)的碰撞相容性分析[J].重型汽車(chē),2011(4):8-10.

[5]雷正保,李鐵俠,趙仕琪.多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化下電動(dòng)汽車(chē)頭部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技論文,2014,10(11):1324-1328.

[6]扶原放,金達(dá)鋒,喬蔚煒.多工況下微型電動(dòng)車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010,27(2):77-80.

[7]張偉,侯文彬,胡平.基于拓?fù)鋬?yōu)化的電動(dòng)汽車(chē)白車(chē)身優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2014,41(10):42-48.

[8]朱壯瑞,孫慶鴻.基十模態(tài)試驗(yàn)的客車(chē)白車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型修正研究[J].汽車(chē)土程,2001,23(2):127-129.

[9]ROBERT T. Passenger vehicle crash test procedure development in the VC-copate project[C]. In: 19th ESV Conference Paper，Europe，2005:8-15.

[10]SATOSHI T，EISEI H.Experimental evaluation of test procedures for frontal collision compatibility[J]. SAE,2004,23 (1):112-117.

Multi-objective Topology Optimization Design of

Electric Vehicle Based on Collision Compatibility and NVH

LEI ZhengbaoXIAO LinhuiYang BiaoNING Han

(InstituteofVehicleandMechanicalEngineering，Changsha

UniversityofScienceandTechnology,Changsha410004,China)

Abstract：In order to improve the comprehensive performance of pure electric vehicle collision compatibility and NVH, the method of topology optimization of crashworthiness is used at the conceptual design phase ,the pure electric car body stiffness and the average maximizing frequency is taken as objective , combined with collision compatibility index for topology optimization. Results show that the method can effectively improve the compatibility of pure electric vehicle collision, it can improve body low-order modal frequency, to improve the purpose of a pure electric vehicle safety and comfort.

Key words：electric vehicle； topology optimization； multi-object optimization； crash compatibility； NVH

收稿日期：2015-11-19

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.007

中圖法分類(lèi)號(hào)：U270.2