楊 楊，張 洋，王金龍，張 琪 Yang Yang，Zhang Yang，Wang Jinlong，Zhang Qi

純電動(dòng)汽車(chē)MPDB碰撞仿真工況車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊 楊，張 洋，王金龍，張 琪
Yang Yang，Zhang Yang，Wang Jinlong，Zhang Qi

（廣汽蔚來(lái)新能源汽車(chē)科技有限公司，廣東 廣州 511400）

根據(jù)MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier，正面可變移動(dòng)壁障）工況，對(duì)某純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果，從碰撞吸收與傳遞路徑優(yōu)化兩個(gè)角度對(duì)車(chē)身進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明車(chē)體變形程度和乘員艙侵入量明顯減小，同時(shí)壁障的加速度與壁障變形量也得到改善。針對(duì)分析結(jié)果提出的改進(jìn)思路為純電動(dòng)汽車(chē)的碰撞安全性能研發(fā)提供參考。

純電動(dòng)汽車(chē)；被動(dòng)安全；MPDB；結(jié)構(gòu)耐撞性；優(yōu)化

0 引 言

汽車(chē)車(chē)體的耐撞性是車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方向，在車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，正面碰撞主要考慮整車(chē)100%正面剛性壁障碰撞、整車(chē)40%偏置可變形壁障碰撞、整車(chē)25%偏置可變形壁障碰撞3種試驗(yàn)工況。其中汽車(chē)耐撞性以及對(duì)自身乘員的保護(hù)是重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)，而對(duì)于碰撞兼容性問(wèn)題研究較少[1]。碰撞車(chē)輛兼容性是指不同規(guī)模的車(chē)輛在車(chē)對(duì)車(chē)碰撞中提供同等水平的乘員保護(hù)[2]。2021版C-NCAP（China-New Car Assessment Programme，中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程）在2018版的基礎(chǔ)上進(jìn)行較大調(diào)整，使用50%重疊的可變形移動(dòng)壁障和車(chē)輛均以50 km/h速度對(duì)撞的MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier，正面可變移動(dòng)壁障）工況，替代40%重疊可變形固定壁障并速度為64 km/h的前部偏置碰撞ODB（Offset Deformable Barrier，偏置可變形壁障）工況，MPDB工況示意圖如圖1所示?；贛PDB碰撞工況，分析某電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

圖1 MPDB工況示意圖

1 車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 碰撞傳遞路徑規(guī)劃

偏置碰撞或MPDB碰撞中力的傳遞一般有以下幾條路徑：1）碰撞力通過(guò)前防撞梁、前縱梁向A柱、縱梁、門(mén)檻或中通道傳遞；2）碰撞力通過(guò)上端梁向側(cè)圍和側(cè)門(mén)框傳遞；3）通過(guò)副車(chē)架等底盤(pán)部件向車(chē)身縱梁或者門(mén)檻傳遞；4）通過(guò)輪胎撞擊門(mén)檻向門(mén)檻傳遞。具體如圖2所示。

圖2 碰撞力傳遞路徑示意圖

當(dāng)動(dòng)力電池布置在車(chē)身地板下方時(shí)，由于地板下空間受到限制，對(duì)于布置大電池的純電動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，無(wú)法布置與前縱梁相貫通的縱梁使碰撞力向后傳遞，這是傳統(tǒng)燃油車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)的主要區(qū)別。由于地板下缺少與前縱梁連接的路徑，門(mén)檻和中通道成為碰撞力傳遞的關(guān)鍵，有些純電動(dòng)車(chē)型沒(méi)有中通道結(jié)構(gòu)，這樣門(mén)檻成為碰撞力傳遞的重中之重。

1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)前縱梁向后傳遞碰撞的路徑規(guī)劃了3條，如圖3所示，第1條通過(guò)前縱梁、前圍板橫梁向中通道傳遞；第2條通過(guò)前縱梁、歇腳板、扭力盒向A柱、門(mén)檻傳遞；第3條通過(guò)前縱梁向地板上雪橇板傳遞，由于受到布置與人機(jī)限制，地板上雪橇板高度較低，此條路徑傳力最少。合理地設(shè)計(jì)前縱梁，使前縱梁的力有效地傳遞到中通道與門(mén)檻成為車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖3 某電動(dòng)汽車(chē)碰撞力傳遞示意圖

1.2.1 前縱梁的設(shè)計(jì)

前縱梁采用激光拼焊高強(qiáng)度鋼，前段為薄板，后段為厚板，激光拼焊位置可以根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，這樣使前縱梁在碰撞過(guò)程中變形區(qū)域可控，變形次序可預(yù)先設(shè)定，最大限度地發(fā)揮材料的吸能效率。在前縱梁前段上布置壓潰筋，使前縱梁更容易壓潰吸能，前縱梁后段上布置潰縮筋，碰撞后期在此位置發(fā)生彎折，控制前縱梁變形形態(tài)。筋的位置可根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.2前縱梁與中通道接頭設(shè)計(jì)

在前縱梁后端設(shè)置2個(gè)連接板，如圖4所示，上連接板一端與前縱梁上表面與側(cè)表面連接，另一端與前圍板橫梁連接；下連接板一端與前縱梁側(cè)表面連接，另一端與前圍板橫梁和中通道焊接邊連接。上下連接板之間的距離需要保證轉(zhuǎn)向柱安裝的空間。通過(guò)2個(gè)連接板保證通過(guò)前縱梁的碰撞力向中通道傳遞。

圖4 前縱梁后端結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3前縱梁與門(mén)檻接頭設(shè)計(jì)

由于地板下需要布置大電池，且受軸距不能太大等布置限制，使電池包與輪胎包絡(luò)之間的空間很小，這給扭力盒處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。對(duì)于大多數(shù)電動(dòng)車(chē)型來(lái)說(shuō)，扭力盒處都做得很強(qiáng)，與門(mén)檻搭接量很多，這樣保證前縱梁的力有效地向門(mén)檻傳遞。鑒于目前情況，在扭力盒不能做得很強(qiáng)的情況下，需要在地板上布置有效結(jié)構(gòu)以保證力的傳遞，扭力盒結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 扭力盒結(jié)構(gòu)示意圖

在乘員艙內(nèi)，如圖6（a）所示，在滿足駕駛員歇腳處空間的情況下，將歇腳板結(jié)構(gòu)做大做強(qiáng)，歇腳板前段與前縱梁后段連接，保證力能夠有效地與前縱梁銜接，歇腳板圓滑過(guò)渡，后段與A柱連接。如圖6（b）所示，在歇腳板與扭力盒的空腔內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)板，加強(qiáng)板前端與前縱梁后段相連接，后端與A柱相連接。通過(guò)此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，歇腳板與扭力盒形成的腔體能夠有效地保證通過(guò)前縱梁傳遞的力向門(mén)檻傳遞。

圖6 某電動(dòng)汽車(chē)歇腳板處結(jié)構(gòu)示意圖

2 問(wèn)題分析

2.1 前機(jī)艙變形情況

前機(jī)艙變形如圖7所示，吸能盒未充分壓潰時(shí)前縱梁已發(fā)生變形，發(fā)生碰撞時(shí)吸能盒與前縱梁應(yīng)依次變形，因此需增加前縱梁與吸能盒連接件的強(qiáng)度；前縱梁后段連接件處過(guò)強(qiáng)，前縱梁未很好地發(fā)生彎折，前縱梁應(yīng)合理設(shè)置潰縮筋，對(duì)前縱梁與前圍板橫梁間連接件進(jìn)行弱化縮小。

圖7 前機(jī)艙變形圖

2.2 乘員艙變形情況

乘員艙變形如圖8所示，中通道前段沒(méi)有發(fā)生變形，中通道中段與地板處發(fā)生較大彎折，應(yīng)合理設(shè)置傳遞路徑遵循前強(qiáng)后弱，對(duì)中通道前段結(jié)構(gòu)進(jìn)行弱化，中段進(jìn)行加強(qiáng)；A柱內(nèi)板處折彎，應(yīng)弱化A柱下連接件，進(jìn)行一定的變形吸能，加強(qiáng)與連接件相連接的A柱內(nèi)板，增加材料厚度，并在A柱內(nèi)做支撐結(jié)構(gòu)。

圖8 乘員艙變形圖

3 優(yōu)化方案

根據(jù)MPDB仿真分析，分析車(chē)身結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題與不足，主要的優(yōu)化思路為兩個(gè)方面：一方面是吸能盒以及前縱梁變形吸能需要進(jìn)一步提升，減小對(duì)乘員艙碰撞能量的傳遞；另一方面是合理優(yōu)化碰撞力的傳遞路徑，對(duì)A柱、門(mén)檻、中通道等折彎變形位置，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與加強(qiáng)。經(jīng)過(guò)多次修改與優(yōu)化，最終的優(yōu)化方案如下。

（1）吸能盒加強(qiáng)筋由1條調(diào)整為2條，加強(qiáng)筋厚度由3 mm調(diào)整為2 mm，這樣能夠使吸能盒更好地壓潰，并增加能量的吸收；吸能盒與前縱梁連接板厚度由5 mm增加到7 mm，提高前縱梁的抵抗能力，使吸能盒充分壓潰。優(yōu)化方案如圖9所示。

圖9 吸能盒與連接板優(yōu)化方案

（2）前縱梁內(nèi)外板根據(jù)碰撞變形結(jié)果合理增加誘導(dǎo)筋，前縱梁上部連接板進(jìn)行弱化處理，料厚由1.5 mm調(diào)整為1.0 mm，與前縱梁前部連接處退到前縱梁新增誘導(dǎo)筋后面，保證前縱梁在誘導(dǎo)筋處發(fā)生彎折。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖10所示。

圖10 前縱梁后端處結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

（3）優(yōu)化歇腳板形貌，減小歇腳板尺寸，進(jìn)行弱化處理，與A柱內(nèi)板連接尖角處進(jìn)行圓滑過(guò)渡處理；A柱內(nèi)板由1.4 mm料厚熱成型鋼板調(diào)整為激光拼焊熱成型鋼板，下端料厚為1.8 mm，上端料厚為1.4 mm，增加抵抗變形的能力；A柱內(nèi)板加強(qiáng)板料厚由1.2 mm提高到1.4 mm，提升力的傳遞能力。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖11所示。

圖11 A柱下結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

（4）取消中通道下方加強(qiáng)板，優(yōu)化中通道零件的形貌，增加前后貫通加強(qiáng)筋，中通道前段料厚由1.2 mm增加到1.5 mm，使中通道力的傳遞路徑遞進(jìn)式變化；前地板加強(qiáng)筋調(diào)整，貫通到門(mén)檻處，增強(qiáng)碰撞力的引導(dǎo)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖12所示。

圖12 中通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

4 結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)最終優(yōu)化方案進(jìn)行CAE計(jì)算，優(yōu)化后的各項(xiàng)指標(biāo)基本都能達(dá)到車(chē)型初期設(shè)定的目標(biāo)值，見(jiàn)表1。

表1 MPDB各指標(biāo)仿真結(jié)果

從車(chē)身結(jié)構(gòu)看，變形得到有效控制，吸能盒與前縱梁變形充分、吸能充分；中通道與A柱下的變形得到很好控制，車(chē)體結(jié)構(gòu)滿足整車(chē)開(kāi)發(fā)要求，動(dòng)力電池與高壓線束未受到擠壓。優(yōu)化后車(chē)體變形如圖13所示。

圖13 優(yōu)化方案后車(chē)體變形圖

車(chē)體通過(guò)優(yōu)化后，整車(chē)碰撞的性能指標(biāo)得到有效提高，但其中整車(chē)加速度峰值略有升高，由30.5增加到33.2，仍然滿足小于40要求；壁障加速度峰值由41.3降低到38.9，前圍板最大侵入量由106.4 mm降低到78.6 mm，進(jìn)一步保護(hù)了乘員安全；MPDB壁障未發(fā)生擊穿，優(yōu)化后壁障評(píng)價(jià)區(qū)域壁障變形量下降，從而降低了此項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的罰分，如圖14、圖15所示。

圖14 前圍侵入量對(duì)比圖

圖15 壁障變形量對(duì)比圖

5 總 結(jié)

以某電動(dòng)汽車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)MPDB碰撞工況下車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了優(yōu)化吸能盒與前縱梁增加能量吸收和加強(qiáng)中通道與門(mén)檻局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化碰撞力傳遞等方案，使車(chē)體本身和壁障在加速度、侵入量和變形上有改善，為其他電動(dòng)車(chē)型車(chē)身開(kāi)發(fā)提供借鑒意義。

[1]逯艷博，馬偉杰，何成. 基于汽車(chē)碰撞相容性的乘員損傷研究[J]. 時(shí)代汽車(chē)，2019(10)：16-18.

[2]趙桂范，楊娜，朱日瑩. 車(chē)輛碰撞兼容性分析[C]//第9屆國(guó)際汽車(chē)交通安全學(xué)術(shù)會(huì)議. 中國(guó)長(zhǎng)沙，2011.

2020-06-18

U469.72

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.010

1002-4581（2020）05-0039-04