林標(biāo)華

(廈門金龍旅行車有限公司，福建省新能源汽車企業(yè)重點實驗室，福建廈門 361006)

隨著電動汽車的推廣及普及，與安全相關(guān)的事故頻發(fā)［1－2］。純電動城市客車電池及車身結(jié)構(gòu)的安全性為整車安全性能提供有力的保障。本文選取某款10 m純電動城市客車，開展其車身骨架被動碰撞安全性研究，建立客車車身骨架有限元模型，考慮電池箱在車身上的布置情況，結(jié)合碰撞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行后碰撞仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果對車身結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

1 后碰撞標(biāo)準(zhǔn)及特點分析

1.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求

當(dāng)前關(guān)于電動客車碰撞的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求主要有《電動客車安全技術(shù)條件》［3］、GB/T 31498—2015《電動汽車碰撞后安全要求》［4］、GB 20072—2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》［5］。根據(jù)《電動客車安全技術(shù)條件》的規(guī)定，對電動客車的碰撞防護(hù)要求是:若有可充電儲能系統(tǒng)未安裝在車輛頂部，則應(yīng)按照要求進(jìn)行碰撞試驗。規(guī)定要求在試驗時，需要考慮動力電池安裝及整車防護(hù)條件，移動變形壁障撞擊試驗車輛的最薄弱位置。其它兩個標(biāo)準(zhǔn)主要是規(guī)定電動汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞特殊安全要求和試驗方法，以及乘用車發(fā)生后部碰撞時燃油系統(tǒng)的安全性能相關(guān)規(guī)定和試驗方法。

1.2 后碰撞特點分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，汽車發(fā)生高速后碰撞時，大約有60%～70%的碰撞能量由潰縮吸能元件(主要是保險杠、吸能盒及后防撞梁等變形元件)吸收，剩余的能量再通過車架的縱梁及底盤懸架等往車身前端及地面進(jìn)行衰減［6－8］。

經(jīng)過輕量化設(shè)計后的“低入口”電動客車，其車架主要是由小方鋼全桁架拼焊而成，再將車架和車身骨架焊接為一個整體，形成一個整體式客車骨架。當(dāng)客車發(fā)生后碰撞時，后圍骨架和車架是主要的受力區(qū)域，也是主要的力傳遞路徑。側(cè)圍骨架、頂蓋骨架是次要的力傳遞路徑。碰撞力由后圍蒙皮、后圍骨架以及同車架尾端相連的后保險杠、后縱梁、后橫梁依次向車身前段骨架傳遞。因此，車身后段骨架(尾部)是主要的變形吸收能量區(qū)域，中段骨架和前段骨架吸收的能量較少。

根據(jù)后碰撞力的傳遞路徑及受力情況，需要車身尾部骨架能夠有效地壓潰變形，吸收足夠的碰撞能量，以緩解向前沖的加速度，減少前沖能量。

2 原車型后碰撞分析

2.1 模型建立及驗證

在UG軟件中建立整車骨架CAD模型，再將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HyperMesh軟件中建立整車有限元CAE仿真模型。在建模過程中，模型進(jìn)行相應(yīng)合理簡化［9－10］。根據(jù)后碰撞實際要求，并結(jié)合實際整車零部件布置情況，對整車有限元模型進(jìn)行配重。根據(jù)《電動客車安全技術(shù)條件》的規(guī)定，試驗時整車處于整備質(zhì)量狀態(tài)，所以最終整車模型調(diào)整到整備質(zhì)量狀態(tài)，質(zhì)心離地高度為1 027 mm。調(diào)整后模型整備質(zhì)量與實車測量數(shù)據(jù)一致，質(zhì)心位置與試驗部門提供的實際測量的坐標(biāo)一致，以驗證模型同實車的一致性、準(zhǔn)確性。整車CAE后碰撞有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用剛性移動壁障進(jìn)行后碰撞，移動臺車和碰撞裝置為某公司已通過標(biāo)定的后碰撞移動壁障模型。結(jié)合實際情況，臺車及其碰撞裝置總質(zhì)量為1 100 kg，臺車高度為806 mm，寬度設(shè)置為2 550 mm，其他尺寸也按照標(biāo)準(zhǔn)要求實施。設(shè)定臺車以50 km/h的速度，100%重疊撞到純電動客車車尾，并借助RADIOS求解器進(jìn)行后碰撞仿真分析。

2.2 仿真結(jié)果分析

1)能量曲線。從碰撞過程中的能量－時間歷程曲線看出整個系統(tǒng)能量數(shù)值沒有發(fā)生突變，能量轉(zhuǎn)換正常;系統(tǒng)動能減小，內(nèi)能逐漸增加，沙漏能在后碰撞過程中基本為零;沙漏能與接觸能比值小于5%。由于輪胎與地面摩擦做功、車身骨架內(nèi)部碰撞與摩擦，部分能量轉(zhuǎn)換成接觸能，總能量稍有減小，并在后期逐步趨于穩(wěn)定，總體來說，能量變化在合理的范圍內(nèi)。

2)加速度分析。電動客車后碰撞時，目前沒有具體的電池箱加速度限制要求，但從電池箱安全性、乘員頸部損傷等考慮，需要盡可能地降低加速度峰值。本次只查看后部上下兩層共4個電池箱加速度值，如圖2中改進(jìn)前(實線)的加速度曲線所示，該曲線經(jīng)過SAE60濾波。從圖中可以看出，電池箱最大加速度峰值達(dá)到91.33g。在同一層骨架上，以車身中心線對稱布置的2個電池箱加速度大小基本一致。上層1號電池箱和4號電池箱在地板骨架上方，碰撞時上方區(qū)域后圍骨架先接觸到剛性壁障，發(fā)生較大變形，因此加速度峰值較大。

圖2 加速度對比情況

3)電池箱安全距離。碰撞過程中，電池箱周邊的車身骨架因碰撞產(chǎn)生的變形量影響到骨架與電池箱之間的距離，也是衡量電池箱安全性的一個方面。從后部最大變形時刻應(yīng)變率云圖中得知，變形量最大的是后圍骨架的后大燈下框梁。該梁因安裝尾燈，整車結(jié)構(gòu)限制，處于懸臂結(jié)構(gòu)，變形較大。測得3號電池箱外殼表面與尾燈下框梁最大變形時刻的最小距離為7.98 mm。由于左右結(jié)構(gòu)對稱，壁障也中心線對稱布置，因此，2號和3號電池箱測得距離一致。由于該距離較小，考慮到碰撞仿真分析的誤差，在后碰撞情況下，處于下層的2號和3號電池箱存有一定的風(fēng)險，需要改進(jìn)后部結(jié)構(gòu)，增加電池箱安全距離。

3 后碰撞結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

針對原車型后碰撞仿真結(jié)果，結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案為:改進(jìn)車架尾段結(jié)構(gòu)，并在車架尾部布置保險杠和吸能盒。

1)在車架尾端底部增加2根縱梁，縱梁規(guī)格尺寸為50 mm×50 mm×3 mm。改進(jìn)目的是在底部將碰撞力傳遞至車身中段。縱梁布置結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

2)增加保險桿骨架。在后圍玻璃鋼蒙皮內(nèi)部增加2根管狀的后保險杠骨架，增大后碰撞時骨架與壁障的接觸面積。保險杠骨架固定于后玻璃鋼保險杠之內(nèi)，這樣可以保證整車制造后不影響車身外形尺寸。該保險杠由上下2根厚度為3 mm的空心圓管組成。如圖3中保險杠骨架結(jié)構(gòu)方案。

3)車架末端增加吸能盒。在客車車架尾部與保險杠骨架之間布置吸能盒。該吸能盒由2 mm的薄壁板件通過折彎、焊接加工而成。布置吸能盒后可以有效地吸收后碰撞時產(chǎn)生的能量，減小車身骨架的變形。如圖3中吸能盒布置情況。

圖3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

3.2 改進(jìn)效果

1)變形及安全距離。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，后碰撞小車前端最先接觸的依然是后尾燈框梁，當(dāng)變形到一定程度后，壁障接觸到保險杠，保險杠將碰撞力傳遞給吸能盒，吸能盒發(fā)生較明顯的塑性變形，同時把碰撞產(chǎn)生的力傳遞到車架縱梁上。測得3號電池箱外殼表面與尾燈下框梁最大變形時刻的最小距離為284 mm，電池箱與骨架的安全距離得到較明顯的改善。

2)電池箱加速度。從圖2所示的改進(jìn)后(虛線)的后部電池箱加速度曲線可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，電池箱加速度峰值達(dá)到83.79g，相比改進(jìn)前降低了7.54g，電池箱受到的沖擊加速度峰值得到改善。在尾部增加保險桿之后，車身下部區(qū)域是主要的傳力區(qū)，2號和3號電池箱加速度峰值較大。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，局部結(jié)構(gòu)對整車安全性有利。

3)新增部件吸能量。一般客車發(fā)生碰撞時，安全性主要選取整車上關(guān)鍵部件的能量變化進(jìn)行評價［11－13］。部件的吸能情況可由碰撞過程中動能和內(nèi)能曲線的變化進(jìn)行描述。整個過程中，系統(tǒng)動能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，其中各零部件通過吸能變形轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。后碰撞過程中保險杠及吸能盒等構(gòu)件吸能曲線如圖4所示，圖中僅提取新增結(jié)構(gòu)吸能情況，查看吸能量。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，后碰撞變形主要是在保險桿及吸能盒等部件，其中吸能盒的布置方式?jīng)Q定了可以軸向壓潰變形，能量可以充分吸收。整個系統(tǒng)碰撞總能量為106 kJ，從碰撞變形結(jié)果可知，客車尾部區(qū)域結(jié)構(gòu)部件吸能最大，將系統(tǒng)動能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，其中吸能盒的吸能貢獻(xiàn)率最大，占總能量的25.66%。

圖4 吸能曲線

4 結(jié)束語

客車后碰撞時，車身后部零件主要依靠其彎曲變形和壓潰變形吸收碰撞產(chǎn)生的能量。本文針對某款純電動城市客車后碰撞工況，開展車身骨架被動碰撞安全性研究，并根據(jù)分析結(jié)果對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，獲得較好的改善效果。