張曉旭

摘要：從純電動汽車興起至今，電動汽車的銷量火爆，但電動汽車發(fā)生的故障也不斷增加，使乘員的人身安全和財產受到極大的威脅。為了保證乘員的駕車安全，國外和我國都對純電動汽車的安全性能投入了大量的人力和物力，同時純電動汽車碰撞后的被動安全性也受到人們越來越多的關注。本文結合有限元軟件對國內純電動汽車碰撞的被動安全性進行分析，其目的是為了進一步對純電動汽車的優(yōu)化，使其被動安全性能越來越高，對后期的相關純電動車輛的發(fā)明提出寶貴的指導意見。

關鍵詞：電動汽車;安全;正面碰撞

0? 引言

由于新能源汽車的節(jié)能減排的效果顯著正受到全球的認可，人們普遍認為新能源汽車對人們的健康出行，減少城市污染，促進社會經濟的可持續(xù)發(fā)展有著深遠的影響。我國新能源汽車以比亞迪、一汽、吉利等為代表，也快速的發(fā)展起來。新能源汽車的安全性研究對汽車行業(yè)都有著非常重要的作用，汽車的被動安全性體現為汽車碰撞后保護人員的安全性，研究碰撞安全性也由此油然而生。目前，國內的新能源汽車的被動安全研究正按照人—車—路—環(huán)境的智能化的發(fā)展方向，并融入交通物流運輸、電氣電子、互聯網等產業(yè)協(xié)調發(fā)展，提高了汽車的碰撞安全性能。

1? 電動汽車被動安全法規(guī)

目前，國際上主要以美國的FMVSS 305 和歐洲的ECER100作為電動汽車的被動安全法規(guī)。我國參照國外的法規(guī)也在2001年制定了《電動汽車安全要求》作為電動汽車碰撞安全性法規(guī)，并在2005年又出臺了《混合動力電動汽車安全要求》，于2009年又有《燃料電池汽車安全要求以及中國碰撞法規(guī)》等，對電動汽車的發(fā)展做出指導。

對于電動汽車的正面碰撞試驗，除了要符合電動汽車的被動法規(guī)要求，還要符合《汽車正面碰撞乘員保護》的標準要求。

2? 電動汽車正面碰撞有限元模型的建立

電動汽車碰撞有限元模型的建立，是將電動汽車的整車結構轉換成數字模型，進行有限元模型的建立，賦予模型工作條件、單元信息、材料屬性、連接關系的設置，模擬汽車正面碰撞的過程并獲得碰撞結果。有限元的方法是汽車碰撞安全分析的一個強有力的工具，主要憑借其強大的功能，簡單的操作，可靠的結果和較高的效率而應用。在進行有限元仿真模型建立的過程中，主要包括幾何尺寸簡化和網格劃分，以及沙漏現象的控制等。

由于汽車車體結構復雜，整體計算規(guī)模大，所以汽車的碰撞仿真計算過程復雜，建模要求高。要確保得出準確的計算結果，電動汽車的碰撞安全性評價準確，就要保證每一個步驟的精度，電動汽車碰撞有限元模型建立的步驟如圖1所示。

本文電動車輛車體有限元模型在HyperMesh中建立，然后導出K文件，并將K文件導入到LS-DYNA軟件中，最后用HyperView進行結果處理與分析。

3? 電動汽車的正面碰撞仿真分析

電動汽車的正面碰撞主要形式為，車輛與固定剛性墻發(fā)生碰撞，雖然發(fā)生幾率很小，但是傷害程度很大，所以在電動汽車發(fā)生正面碰撞時，保護駕駛室乘客生命安全就顯得尤為重要。

本文建立的有限元仿真模型采用單精度高斯微積分求解算法，其中沙漏控制在5%范圍內，以保證沙漏能曲線的光滑度。采用《車輛正面碰撞乘員保護法則（CMVDR294）》安全法規(guī)作為仿真模擬的出發(fā)點進行正面撞擊剛性墻。根據動量定理和能量守恒定律，由于電動車輛的正面碰撞過程中剛性墻固定不動，碰撞車輛車體的初速度設定為48km/h（13.33m/s），利用LS-DYNA進行計算。

3.1 能量變化分析

從總能量、動能、內能及沙漏能的變化情況來看，總能量等于車輛碰撞開始時的動能，沒有出現減少的現象，碰撞結束時，碰撞動能大部分已經轉化吸收掉，從這一過程可以得出能量守恒的結論。從沙漏能一直保持小于5%的數值，可以斷定沙漏能正常，能量變化穩(wěn)定沒有出現任何突變，模型合理，能量變化情況正常。

3.2 車體變形分析

計算結束利用HyperView對結果進行分析。在整個計算時間120ms的進程中，從計算開始直到10ms車體才與剛性墻接觸發(fā)生碰撞，在此之前車身變形為0，到碰撞20ms由于受到剛性墻的撞擊，車體變形逐漸增加，前防撞橫梁已經發(fā)生了很大變形，前防撞橫梁已經被壓平并陷入機體內部。隨著碰撞的繼續(xù)，擺臂的支架外側板、擺臂支架內側板、縱梁以及加強板也都發(fā)生了不同程度的塑性變形，地板縱梁前段與加強板一起也由于擠壓力的作用發(fā)生彎曲變形。在隨后的時間里，由于車體變形吸收了大量的能量，為碰撞起到了緩沖作用，碰撞速度也不斷減小，直至為0，于是車頭的變形逐漸回彈，最終在計算結束后車輛由于碰撞反彈而向后退回，變形也不再明顯。可見車頭的吸能情況很理想，實現了能量的分散，在整個計算仿真過程中。車輛的變形主要集中在車體前端，駕駛員及乘客的生存都沒有收到威脅，保證了一定的安全性。

3.3 碰撞加速度分析

加速度是隨碰撞里的變化而變化的，碰撞力增加加速度也會隨之增加，即電動車輛的司乘人員在碰撞過程中的沖擊力可以通過碰撞加速度體現。所以為了保護電動汽車內部司乘人員的安全，電動汽車碰撞加速度也要滿足要求。由仿真計算結果可知，電動車輛車體最大加速度為41.5g，小于許可值，在加速度方面滿足司乘人員的安全要求。

3.4 前圍板侵入量分析

前圍板是乘員艙與車體前部乘員艙結構的分界面，一旦前圍板侵入量過大將使其組件，例如制動踏板與人員直接接觸，使人員的生存空間受到威脅，因此前圍板的侵入分析也是電動車輛正面碰撞評價指標之一。在分析過程中將前圍板的后移量作為侵入量的判定標準，根據仿真結果，前圍板最大侵入量62.65mm，由于侵入量稍大，人員的腿部會因為前圍板的入侵在碰撞過程中受到碰撞傷害，但入侵量在許可范圍之內，滿足法規(guī)要求。

3.5 電池系統(tǒng)的安全分析

對于電動汽車在碰撞過程中，高壓電池的安全性非常重要，因為在碰撞事故中，重要部件發(fā)生損壞或者防護保護失效，電池也不應損壞，否則作為能量的聚集體，一旦損壞將造成不可估量的危險。本車電池組作為電動汽車一切動力的源泉，安裝在車身車輛底盤下，這樣設計是由于乘客室的堅固設計，再加上車門的外圍護欄的作用，就可以很好的保護電池不收到損壞。在仿真計算中電池包應變率小于許可值，電池包不存在安全隱患。

4? 結論

本文對基本力學方程、碰撞問題的求解方法、顯式有限元理論、變形體與剛性墻碰撞理論等理論的運用，對電動汽車的車體結構有限元模型進行了正面碰撞仿真分析，并對其碰撞的計算的正確性進行了能量變化的驗證。確保仿真結果的正確的基礎上，對電動汽車的車體變形、碰撞加速度、前圍板侵入量以及電池系統(tǒng)的安全進行了計算分析。結果表明本款電動汽車結構穩(wěn)固，安全性可靠。

參考文獻：

[1]闞凱.純電動車被動安全的研究[D].吉林：吉林大學，2018.

[2]李文龍.純電動汽車正面碰撞安全性分析與優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[3]胡遠志，曾必強，謝書港，等.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]劉毅坤.汽車安全性研究[J].汽車實用技術，2018（15）：160-161.

[5]葛東東，王秋成，等.電動汽車正面碰撞結構耐撞性分析及優(yōu)化[J].機電工程，2013（3）：325-328.