都雪靜，田雨蒙

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱　150040)

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全鋁車身電動轎車正面碰撞仿真

都雪靜，田雨蒙

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱150040)

為了研究新型全鋁車身電動轎車的正面碰撞耐撞性，應(yīng)用CATIA建立了全鋁電動轎車的3D模型。根據(jù)C-NCAP規(guī)定，利用ANSA軟件建立該車正面100%剛性壁障碰撞和40%偏置碰撞的有限元分析模型。在顯示動力分析軟件LS-DYNA環(huán)境下，對該有限元模型進(jìn)行求解計算，然后運用后處理軟件HyperView對能量、速度、B柱加速度和門框變形等參數(shù)進(jìn)行分析，最后根據(jù)兩種碰撞工況的分析結(jié)果得到該電動轎車的碰撞特性。討論了整車在前防撞梁、吸能盒、縱梁等主要吸能部件的不足，為進(jìn)一步開發(fā)實際可用的全鋁電動轎車提供參考和依據(jù)。

全鋁車身；電動轎車；正面碰撞；偏置碰撞；結(jié)構(gòu)耐撞性

電動汽車是新能源汽車的主要發(fā)展方向之一[1-4]，其儲能系統(tǒng)(動力電池組)是由數(shù)十塊甚至幾百塊儲能單元(單體電池)串聯(lián)或者并聯(lián)組成[5]，但是動力電池組體積和質(zhì)量較大，造成續(xù)航里程減小和動力性減弱。為了實現(xiàn)電動轎車的輕量化，開發(fā)全鋁車身電動轎車是主要途徑之一。鋁合金材料具有密度低、易加工、延展性好等優(yōu)點，是汽車正面碰撞零部件的理想材料。

汽車的碰撞安全性對于乘員和行人的保護(hù)起關(guān)鍵作用，在對電動轎車進(jìn)行輕量化設(shè)計時，不能以降低安全性為條件[6-8]。文獻(xiàn)[9]采用6061鋁合金材料，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計新型鋁合金前碰撞橫梁，用于替代某車型原鋼質(zhì)橫梁，在減輕質(zhì)量的同時提高了橫梁的耐撞性。文獻(xiàn)[10]提出了一種鋼-鋁混合前縱梁結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)在改善耐撞性的同時顯著提高了輕量化水平。全鋁車身電動轎車的耐撞性研究在國內(nèi)尚處在起步階段，有著十分重要的意義。

本文根據(jù)C-NCAP(China-new car assessment program，中國新車評價規(guī)程)的規(guī)定，針對事故中所占比例最多的正面碰撞，以國內(nèi)某全鋁車身電動轎車為研究對象，在ANSA軟件中建立其有限元模型，并在LS-DYNA環(huán)境中分別進(jìn)行轎車100%正面剛性固定壁障碰撞和正面40%可變形壁障碰撞仿真試驗。40%偏置碰撞中駕駛員會因為前部車身零部件侵入量過大造成傷害，需提高車身剛度來抵抗過大的變形；而在100%正面碰撞中，駕駛員會因碰撞過程中的車身加速度過大造成傷害，需降低車身剛度來減小碰撞加速度。結(jié)合兩種工況分析該電動轎車正面碰撞特性并對其進(jìn)行評價，為該車型的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1　有限元模型的建立

1.1幾何模型的簡化及網(wǎng)格劃分

建立有限元模型所需的結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)等均由某汽車研究院提供?？紤]到模擬計算的精度和計算的時間成本，在建立有限元模型時，需要將模型做適當(dāng)簡化[11-13]。模型的簡化主要是把模型中對分析結(jié)果影響不大的不規(guī)則形狀進(jìn)行處理以保證生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，如刪除一些凸臺、倒角和圓孔等。在正面碰撞過程中重點考慮車身前部構(gòu)件的吸能特性和為乘員艙提供縱向剛度兩方面因素，所以對于重要的變形吸能部件如防撞梁和前縱梁等必須準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的幾何特征，不能過于簡化，以免影響碰撞變形模式及載荷的傳遞路徑[14-16]。

將簡化好的幾何模型保存為IGS或STP格式導(dǎo)入ANSA中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的基本單元尺寸設(shè)置為10 mm×10 mm。車身前部關(guān)鍵吸能部件應(yīng)劃分較密的網(wǎng)格以保證計算精度，車身中后部變形不大的部件可劃分較疏的網(wǎng)格。面網(wǎng)格主要選擇四邊形單元，體網(wǎng)格主要選擇六面體單元。網(wǎng)格的主要檢查標(biāo)準(zhǔn)包括翹曲度、縱橫比、單元長度、最小內(nèi)角、最大內(nèi)角、扭曲角等。

1.2材料屬性與連接的設(shè)置

相比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身,全鋁車身結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，材料模型選擇LS-DYNA材料模型庫第24號分段線性材料,該材料的變形主要是塑性變形[17-18]。根據(jù)數(shù)模賦予各構(gòu)件相應(yīng)材料屬性。焊點使用spotweld焊接形式模擬。開閉件鉸鏈處建立相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)約束。螺栓連接主要采用RB2形式模擬。粘膠連接處采用共節(jié)點形式進(jìn)行處理。剛性墻和剛性地面選擇相應(yīng)剛體材料模型。焊點接觸類型選擇TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE。車身自接觸選擇AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE。

經(jīng)過以上的模型簡化，網(wǎng)格劃分，材料定義，連接、運動關(guān)系和接觸設(shè)置等，最終建立了整車的有限元模型。該模型包括1 378 718個節(jié)點，1 316 905 個殼單元，787 887個實體單元。建立的電動轎車正面碰撞有限元模型如圖1所示。

圖1　電動轎車正面碰撞有限元模型

2　整車正面碰撞的仿真分析

2.1有限元模型有效性分析

在碰撞仿真過程中，根據(jù)C-NCAP，求解之前設(shè)置的碰撞參數(shù)：測試車輛以50 km/h(13.89 m/s)的速度完全正面碰撞剛性墻,40%偏置碰撞速度設(shè)置為56 km/h(15.56 m/s)，計算時間設(shè)置為0.12 s，重力加速度設(shè)置為9.81m/s2。在ANSA中將有限元模型導(dǎo)出為動力學(xué)分析軟件LS-DYNA計算所用的輸入K文件，然后將該文件提交給LS-DYNA進(jìn)行計算。計算完成后，為了驗證有限元模型求解的精確度，需要對正碰過程中的能量變化情況進(jìn)行評估。能量變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出：碰撞過程中能量基本守恒，主要由動能、內(nèi)能和沙漏能等組成，隨著動能的減小內(nèi)能逐漸增加。此外沙漏能所占比例小于5%，在規(guī)定范圍內(nèi)，證明了有限元模型建立的有效性。

2.2整車變形分析

在整車正面碰撞仿真過程中：0.02 s時已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的變形，(0.04～0.06) s為急劇變化階段，0.072 s左右變形量接近最大值，之后整車開始反彈，速度變?yōu)閄軸正向。0.12 s時電動轎車前端的變形如圖3所示。電動轎車碰撞過程中整車速度隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖2　能量變化曲線

圖3　電動轎車最終變形

從圖3(a)中可以看出：電動轎車前端在100%正面碰撞過程中發(fā)生了明顯的壓潰變形，防撞橫梁中部受力變形直至緊貼剛性墻，吸能盒潰縮變形，前圍板立柱及車架立柱后傾嚴(yán)重，前圍板侵入量明顯較大。整車在碰撞臨近結(jié)束時，車身后部向上翹曲嚴(yán)重，這是因為A柱上端及側(cè)圍上邊梁等結(jié)構(gòu)剛度不足，受力后發(fā)生較大變形所致。從圖3(b)可以看出：在40%偏置碰撞中電動轎車碰撞側(cè)吸能盒和前縱梁發(fā)生折彎變形，不能達(dá)到潰縮吸能的效果，變形形式不佳，在非碰撞側(cè)吸能盒和前縱梁基本未發(fā)生變形。在后期的優(yōu)化過程中要重點考慮加強(qiáng)A柱及側(cè)圍上邊梁的剛度、優(yōu)化吸能盒和前縱梁結(jié)構(gòu)以達(dá)到正碰要求。

圖4　電動轎車速度-時間曲線

2.3前部吸能部件的變形與吸能分析

電動轎車前端的部件(包括前防撞梁、吸能盒、縱梁等)是正面碰撞中的關(guān)鍵吸能部件，這些部件的吸能量占車輛總吸收能量的50%左右，其變形方式和吸能多少直接影響著整車安全性能。電動轎車正面碰撞時前部的變形情況如圖5所示。

圖5　前部吸能部件的變形

電動轎車前部吸能部件與整車的吸能曲線對比如圖6所示。從圖6可以看出：在碰撞開始的(0.01～0.033) s內(nèi)吸能量迅速增加，最大值約為52.868 kJ，此后基本維持不變，此時整車吸收的總內(nèi)能約為178.392 kJ，由此得出前部吸收的能量為整車吸能的29.6%，且吸能的高峰時間段比發(fā)生大變形的時間段靠前，說明電動轎車前部吸能不足，在結(jié)構(gòu)部分需要進(jìn)一步改進(jìn)。

圖6　前部吸能部件吸能量與整車吸能對比

在100%正面碰撞過程中，前圍侵入量會影響轉(zhuǎn)向管柱、儀表板和油門踏板的后移，從而對假人的傷害值產(chǎn)生影響。本次分析前圍板相對于乘員艙的侵入量云圖(如圖7所示)，可以看出:在100%正面碰撞中前圍板最大侵入量為359.5 mm，侵入量較大，判斷將會對乘員腿部造成較大傷害；在 40%偏置碰撞中前圍板最大侵入量為144.0 mm，達(dá)到工程經(jīng)驗中的目標(biāo)值。

圖7　前圍板相對于乘員艙的侵入量云圖

2.4左右B柱加速度分析

轎車碰撞過程中的加速度變化是表征轎車被動安全性的一項重要指標(biāo)，過大的加速度是造成人體傷害的主要因素之一。加速度越大，說明轎車受到的載荷越大，碰撞安全性越差，因此在以規(guī)定速度撞擊剛性墻的工況下，加速度越小越好。

考慮到正面碰撞的變形特征，加速度測點選于變形較小的B柱下方門檻梁處。本研究中電動轎車100%正面碰撞和40%偏置碰撞過程中的整車速度與加速度變化曲線如圖8所示。從圖8(a)中可以看出：左側(cè)加速度峰值為44g，右側(cè)加速度峰值為40g，該監(jiān)測項均低于目標(biāo)設(shè)定值45g，可以滿足設(shè)計要求，不過仍有改善空間；在(0.005～0.022) s時段，加速度值低于10g，基于工程經(jīng)驗，該時段加速度偏低，而此段曲線為車輛保險杠變形產(chǎn)生。由100%正面碰撞過程中的防撞梁和吸能盒變形情況(如圖9所示)可見：吸能盒受力后快速潰縮，變形嚴(yán)重，吸能明顯不足；防撞梁變形較早且很快被壓平，二者抵抗變形能力均較差。從圖8(b)中可以看出：左側(cè)加速度峰值為33.3g，右側(cè)加速度峰值為26.9g，滿足設(shè)計要求。由基于上述兩種碰撞模式的結(jié)果分析可知保險杠結(jié)構(gòu)應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。

2.5前車門門框變形分析

在轎車碰撞試驗研究中，碰撞結(jié)束后車門不能正常開啟是導(dǎo)致轎車不能通過碰撞法規(guī)的主要限制之一。在碰撞仿真中，確定碰撞結(jié)束后車門能否在規(guī)定作用力下正常開啟難度較大，因此通過分析車門框的變形量間接地進(jìn)行評價。若門框變形量過大就會與車門發(fā)生擠壓，繼而導(dǎo)致車門產(chǎn)生變形，容易出現(xiàn)門框與車門的卡死現(xiàn)象，最終導(dǎo)致車門不能正常開啟。

前側(cè)車門門框測點位置如圖10所示，100%正面碰撞和40%偏置碰撞的門框變形量曲線分別見圖11、12。在40%偏置碰撞過程中，前側(cè)車門的最大變形量為10.0 mm，低于目標(biāo)值20 mm，滿足設(shè)計要求。但在100%正面碰撞中前側(cè)車門門框變形主要表現(xiàn)為縱向壓縮，左前門框的最大變形量為63.3 mm，右前門框的最大變形量為65.5 mm，均發(fā)生在車門下鉸鏈處，門框變形量過大，初步判斷車門有不能正常打開的風(fēng)險。分析原因為A柱上下端結(jié)構(gòu)較弱，不能抵抗前縱梁傳來的載荷，需對該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

圖8　加速度-時間歷程曲線

圖9　保險杠變形過程

圖10　前車門門框測量位置

圖11　40%偏置碰撞前側(cè)車門變形量

圖12　左右兩側(cè)門框的變形曲線

3　結(jié)論

本文通過ANSA軟件建立了某全鋁車身電動轎車的整車有限元模型，并運用LS-DYNA對其進(jìn)行了100%正面碰撞和40%偏置碰撞仿真分析。分析結(jié)果表明：

1) 在100%正面碰撞中，全鋁車身電動轎車的前圍板最大侵入量為359.5 mm，侵入量過大，左右B柱加速度值在碰撞變形初期低于10g，說明吸能盒和防撞梁的吸能不足，抵抗變形能力均較差；左前門框的最大變形量為63.3 mm，右前門框的最大變形量為65.5 mm，且均發(fā)生在車門下鉸鏈處，原因為A柱上下端結(jié)構(gòu)較弱，需對此部分結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)進(jìn)行重點的優(yōu)化和設(shè)計。

2) 在40%偏置碰撞中，前圍板侵入量、加速度和車門變形量等考察參數(shù)均可滿足目標(biāo)要求，但吸能盒和前縱梁的變形形式不佳。在后續(xù)的優(yōu)化中應(yīng)結(jié)合100%正面碰撞工況要求，考慮改進(jìn)吸能盒和前縱梁的結(jié)構(gòu)以滿足正碰要求。

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(責(zé)任編輯劉舸)

Simulation Analysis for Electric Vehicle Frontal Crash with Aluminum Body

DU Xue-jing, TIAN Yu-meng

(School of Traffic, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In order to study the crashworthiness of the new type of the whole aluminum electric vehicle body in frontal crash, 3D model of the whole aluminum electric vehicle was established by using CATIA. According to the provisions of C-NCAP, the finite element analysis model of electric vehicle was established by ANSA software. The FEA of 100% rigid wall collision and the 40% offset collision was simulated and calculated by the nonlinear in the explicit dynamic analysis software LS-DYNA environment. Then the energy, speed, acceleration of the B pillars, deformation of doorframe and other parameters were analyzed by using post-processing software HyperView. The collision characteristics of the electric vehicle were obtained according to the analysis results of the two kinds of collision conditions. This paper expounded the problems of the whole vehicle in the front cross member, energy absorber, side member, and so on, and provided reference and basis for further development of the actual available aluminum electric vehicles.

aluminum body; electric vehicle; front crash; offset crash；structure crashworthiness

2016-04-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51108068)；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目(E201350)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項基金資助項目(DL12CB03)

都雪靜(1977—)，女，吉林通化人，博士，副教授，主要從事有限元分析和優(yōu)化、車輛可靠性與安全技術(shù)研究，E-mail:duxuejing99@163.com。

format：DU Xue-jing, TIAN Yu-meng.Simulation Analysis for Electric Vehicle Frontal Crash with Aluminum Body[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):20-26.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.003

U463

A

1674-8425(2016)08-0020-07

引用格式：都雪靜，田雨蒙.全鋁車身電動轎車正面碰撞仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(8):20-26.