楊楊 張洋 王金龍 張琪

（廣汽蔚來新能源汽車科技有限公司）

在各類汽車事故中，側(cè)面碰撞發(fā)生率較高，汽車側(cè)面碰撞事故導(dǎo)致乘員重傷和死亡率高達(dá)25%[1]。由于汽車側(cè)面車身鈑金設(shè)計(jì)空間小，沒有像正面車體結(jié)構(gòu)那樣具有很大的吸能空間，一旦發(fā)生側(cè)碰，乘員會(huì)因強(qiáng)烈的沖擊載荷而遭受嚴(yán)重的傷害。對(duì)于電動(dòng)汽車，更要考慮側(cè)面柱碰對(duì)于電池包的沖擊，避免電池包因?yàn)槭艿綌D壓而發(fā)生火災(zāi)，危及乘員安全[2]。在歐盟與北美，目前已經(jīng)對(duì)新車的側(cè)面柱碰進(jìn)行了考察評(píng)價(jià)，2021 版C-NCAP 對(duì)于新車的評(píng)價(jià)預(yù)計(jì)增加側(cè)面柱碰項(xiàng)目，可見側(cè)面柱碰越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注與重視。而車身結(jié)構(gòu)是決定汽車被動(dòng)安全性的重要因素之一。文章針對(duì)某電動(dòng)車型側(cè)面柱碰中存在的車身結(jié)構(gòu)變形過大、乘員生存空間不足、電池包受到擠壓等問題，根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行了側(cè)面車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過優(yōu)化電池包、門檻、座椅橫梁等結(jié)構(gòu)，滿足了側(cè)面柱碰中電池包與乘員的安全。

1 側(cè)面柱碰車身設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則

歐盟新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro—NCAP）對(duì)車輛側(cè)面柱碰進(jìn)行考察，如圖1 所示。碰撞柱直徑為254 mm，試驗(yàn)速度為32 km/h，撞擊車輛碰撞參考線。碰撞參考線是指通過駕駛員假人頭部質(zhì)心的豎直平面與駕駛員側(cè)車體形成的線，該平面與汽車縱向中心線呈75°角[3]。

圖1 Euro-NCAP 車輛側(cè)面柱碰示意圖

電動(dòng)汽車在側(cè)面柱碰中，碰撞力的傳遞路徑分為電池包傳遞和車身傳遞，如圖2 所示。車身傳遞路徑主要包括門檻、座椅橫梁，B 柱等。圖3 示出某車型碰撞力分解。從圖3 可以看出，碰撞力在車身與電池包傳遞的分配不同，電池包傳遞力的比例更大，因此，在設(shè)計(jì)過程中，電池包內(nèi)部傳遞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，并且要與車身結(jié)構(gòu)相互匹配，這樣才能起到很好地傳遞碰撞力的作用。電池包對(duì)于側(cè)面柱碰的加速度也有一定要求，如果電池包承受加速度過高，會(huì)導(dǎo)致電池包內(nèi)部起火。而車身除了起到碰撞力的傳遞作用，還要起到一定的吸收能量的作用。

圖2 某車型側(cè)面柱碰碰撞力傳遞路徑示意圖

圖3 某車型碰撞力分解示意圖

優(yōu)化門檻結(jié)構(gòu)是抵抗側(cè)面柱碰最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)受力變形吸能、力的傳遞方面具有不可忽視的作用。如在門檻區(qū)域板材使用熱成型鋼，以增加門檻抵抗變形的能力；在門檻中增加CBS 等填充材料[4]；增強(qiáng)門檻之間鈑金的連接，以提高能量的吸收；在門檻腔體內(nèi)增加鋼管或者鋁合金型材，以提高門檻的耐撞能力。

2 某電動(dòng)車型側(cè)面柱碰撞存在的問題及分析

圖4 示出某電動(dòng)車側(cè)面柱碰仿真分析結(jié)果。從圖4可以看出，門檻變形嚴(yán)重，門檻沒有很好地抵抗側(cè)面碰撞，座椅橫梁發(fā)生彎折，從而導(dǎo)致B 柱整體的侵入量增大，B 柱最大侵入量達(dá)到了225 mm，已經(jīng)對(duì)乘員造成了傷害，不滿足目標(biāo)要求。

圖4 某車型側(cè)面柱碰仿真分析車身變形示意圖

圖5 示出某車型側(cè)面柱碰仿真分析座椅橫梁擠壓電池包變形。由于座椅橫梁發(fā)生折彎變形，導(dǎo)致車身鈑金與電池包殼體發(fā)生接觸，從而使電池包受到擠壓。圖6 示出某車型電池模組應(yīng)變。電池模組應(yīng)變?yōu)?.9%，超出目標(biāo)值2%。

圖5 某車型側(cè)面柱碰仿真分析座椅橫梁擠壓電池包變形圖

圖6 某車型側(cè)面柱碰電池模組應(yīng)變?cè)茍D

3 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

原方案電池包內(nèi)部無橫梁支撐結(jié)構(gòu)，側(cè)柱撞擊區(qū)域電池包外邊框易擠壓模組，同時(shí)電池包內(nèi)部與車身無連接，電池包直接形成對(duì)門檻的沖擊。優(yōu)化方案，如圖7 所示。在電池包內(nèi)增加1 根目字型橫梁，位置要與座椅橫梁位置相對(duì)應(yīng)，并將其與座椅橫梁相連。圖8 示出座椅橫梁優(yōu)化方案。座椅橫梁提供2 個(gè)固定點(diǎn)，前排座椅后橫梁材料由DP590 材料調(diào)整為C1500HS 熱成型鋼材，厚度由1.2 mm 變?yōu)?.5 mm。

圖7 某車型電池包優(yōu)化方案示意圖

圖8 某車型座椅橫梁優(yōu)化方案示意圖

對(duì)門檻結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重的問題，分析認(rèn)為門檻整體強(qiáng)度不足，當(dāng)側(cè)面柱碰發(fā)生時(shí)，門檻接觸位置過早發(fā)生彎折，門檻內(nèi)管梁沒有有效地抵抗側(cè)面柱碰的變形。門檻外板優(yōu)化方案，如圖9 所示。門檻外板厚度由1.2 mm增加為1.5 mm；圖10 示出某車型門檻連接板優(yōu)化方案。為了提升門檻內(nèi)管梁的連接強(qiáng)度，在A 柱下位置和B 柱下位置增設(shè)加強(qiáng)板，材料為DP590，厚1.2 mm，從而提升接頭處的強(qiáng)度，提升耐撞性。

圖9 某車型門檻外板優(yōu)化方案示意圖

圖10 某車型門檻內(nèi)管梁優(yōu)化方案示意圖

4 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行碰撞仿真分析計(jì)算，優(yōu)化后的結(jié)果，如圖11 所示。從圖11 可以看出，優(yōu)化后門檻變形變小，座椅橫梁、地板變形處沒有發(fā)生明顯的彎折。

圖11 某車型側(cè)面柱碰仿真優(yōu)化后車身變形示意圖

由于車體的變形變小，進(jìn)而B 柱入侵量也有很大的改善，如圖12 所示。從圖12 可以看出，優(yōu)化前B 柱入侵量最大處達(dá)到225 mm，優(yōu)化后B 柱各點(diǎn)的入侵量有明顯改善，最大處減少43 mm。

圖12 某車型側(cè)面柱碰B 柱入侵量曲線圖

圖13 示出側(cè)面柱碰仿真分析優(yōu)化后電池包變形圖。14 示出優(yōu)化后電池模組應(yīng)變圖。由于優(yōu)化后座椅橫梁沒有擠壓到電池模組，模組應(yīng)變僅為0.46%，符合目標(biāo)要求，并且電池包加速度峰值下降了8.48 g，優(yōu)化效果明顯。

圖13 某車型側(cè)面柱碰仿真分析優(yōu)化后電池包變形示意圖

圖14 某車型優(yōu)化后電池模組應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)論

文章針對(duì)某電動(dòng)車型側(cè)面柱碰中車身結(jié)構(gòu)變形過大、電池包受到擠壓等問題進(jìn)行了車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過提升材料等級(jí)、增加車身與電池包的連接、提升電池包傳力能力、增加門檻材料等級(jí)、增加A/B 柱與門檻的加強(qiáng)板、增加門檻管梁與車身的連接、提高門檻的抗彎特性等措施，有效地控制了門檻的彎折和座椅橫梁的扭曲，使車身側(cè)面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度得到有效提升，側(cè)面柱碰B 柱的最大侵入量降低43.7 mm，有利于乘員的保護(hù)。電池包的安全性能也得到提升，滿足了整車側(cè)面碰撞安全性能目標(biāo)的要求。希望在碰撞優(yōu)化過程中的思路與優(yōu)化方法能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車的設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。