游潔，耿富榮，陳東，楊宏，吳純福

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

1 前言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，資源緊缺和環(huán)境污染的矛盾日益突出，汽車電動化和輕量化成為汽車發(fā)展的主要發(fā)展方向。研究表明，汽油乘用車每減重100kg將節(jié)油0.3～0.5L/100km，可減少CO2排放8～11g/100km[1]。此外，輕量化對于電動汽車更有重要的特別意義，較低的車身質(zhì)量一方面可以減少電能消耗，另一方面可以在相同整備質(zhì)量的條件下安裝更大容量的動力電池，兩者均可以提高電動汽車的續(xù)航能力[2]，因此在保障車身性能下，將電動化和輕量化相結(jié)合是提升汽車市場競爭力的有效手段。

基于純電動汽車的短前懸造型、緊湊機艙布置和大容量電池布局等特點，導致在純電動車整備重量提升下，碰撞吸能空間減少，傳力路徑減弱，成為車身正面框架結(jié)構(gòu)設計中的痛點問題，其難點在于如何提升其碰撞吸能效率同時兼顧輕量化設計。

目前國內(nèi)外已有電動車的正碰結(jié)構(gòu)和鋁合金車身的相關(guān)研究，李莉等曾基于長城的某款純電動車就其機艙布置和地板結(jié)構(gòu)特點進行純電車正碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[3]，但此結(jié)構(gòu)仍是在傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)上進行局部差異化優(yōu)化，且為鋼制車身結(jié)構(gòu)；王大志等結(jié)合上汽模塊微型電動車項目，討論了電動轎車的質(zhì)量分布和艙室布置等方面與傳統(tǒng)車的差異，有針對性地規(guī)劃設計電動車碰撞載荷路徑和變形區(qū)域[4]，此研究電動框架路徑仍主要基于傳統(tǒng)框架基礎上進行規(guī)劃；趙文亮等為某一鋼制城市客車設計了五種特殊截面的鋁合金型材及與之相適應的連接件，在保障相關(guān)性能下，使車身質(zhì)量降低了146.8kg，減重比率達13.13%[5]，但此研究應用暫未針對電動車型開展；因此，本文針對純電動車的正碰框架結(jié)構(gòu)，基于全新的純電動車布置下運用基于正碰工況下的傳力路徑拓補優(yōu)化，獲得全新的純電動正碰載荷路徑；基于輕量化、性能、工藝性等多維度考慮，采用多維列表選材法設定框架材料策略，進行基于C-NCAP五星碰撞的主體鋁制純電動車正碰車身框架結(jié)構(gòu)設計，通過CAE和試驗驗證，形成一套完整的主體鋁制量產(chǎn)純電動車正碰車身框架結(jié)構(gòu)設計方法。

2 技術(shù)路線

純電動車與傳統(tǒng)燃油車的正碰車身框架的主要區(qū)別和要求如下：

（1）純電動車整備較傳統(tǒng)燃油車重，碰撞總能量更多，而短前懸造型（匹配縮短車長，加大軸距的需求）和緊湊的機艙布置（適應大輪胎和三點系統(tǒng)），導致其碰撞吸能空間較傳統(tǒng)燃油車少，因此要求其前端結(jié)構(gòu)的吸能效率大大提升以保障碰撞性能；

（2）基于純電動車續(xù)航提升需求，地板下部空間全部提供給電池包布局，無地板縱梁結(jié)構(gòu)空間以延長機艙縱梁后部的正面?zhèn)髁β窂剑枞虏季謾C艙到地板的傳力路徑及碰撞吸能、變形過渡和剛性區(qū)域。

綜上所述，需針對純電動車布置分析進行主框架結(jié)構(gòu)正碰工況下的傳力路徑拓補優(yōu)化，結(jié)合傳力路徑的初步設計、工程約束和碰撞區(qū)域的全新布局進行選材和結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化，最終完成主框架結(jié)構(gòu)設計，具體流程如下圖：

圖1 技術(shù)路線流程圖

3 主框架結(jié)構(gòu)設計

3.1 布置分析

電動車乘員艙內(nèi)部布置與傳統(tǒng)車布置基本一致，主要包括：人機、轉(zhuǎn)向、空調(diào)、座椅等，基于純電車長軸距和低車高的特點，人體腿部和腳部姿態(tài)與傳統(tǒng)車略有差異。主要布置差異集中在機艙布置和地板底部布置，如圖2所示：

機艙內(nèi)部主要布置包括：電機及插件，組合支架及電機控制器、管理器等電子電器元件，底盤制動，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，前副車架，橫向穩(wěn)定拉桿等。

機艙外部主要布置包括：輪胎，前懸架等。

地板底部主要布置包括：平整化大容量動力電池包，制動管路和線束等。

圖2 電動車機艙和地板布置示意圖

3.2 正碰傳力路徑設計

基于純電動車布置和造型進行實體模型設計，扣除布置（機艙布置、地板布置、乘員艙布置、前風窗、四門兩蓋門洞等）所占用的空間，其余空間即為結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化空間，如下圖所示：

圖3 實體模型示意圖

車身設計的技術(shù)要求主要包括剛強度、NVH和碰撞性能，基于正碰特定工況進行框架路徑拓補，基本能覆蓋機艙和地板區(qū)域正面受力路徑，滿足相關(guān)的剛強度要求，再綜合考慮側(cè)面、后面和頂部受力情況即可形成完整的框架路徑優(yōu)化。各類工況和拓撲優(yōu)化模型如下圖所示：

圖4 各類工況示意圖

圖5 拓撲優(yōu)化模型

結(jié)合拓撲路徑結(jié)果和工程可行性初步定義正碰框架傳力路徑如下圖所示：

圖6 正碰框架路徑底部視圖

圖7 正碰框架路徑軸側(cè)視圖

其中，主路徑包括：

（1）左側(cè)前縱梁到左側(cè)縱梁根部接頭到左門檻；

（2）右側(cè)前縱梁到右側(cè)縱梁根部接頭到右門檻；

（3）左右側(cè)機艙縱梁到前圍根部橫梁到中通道。

輔路徑包括：

（1）左側(cè)前縱梁到左側(cè)short gun到左側(cè)上邊梁到左側(cè)A柱；

（2）右側(cè)前縱梁到右側(cè)short gun到右側(cè)上邊梁到左側(cè)A柱；

（3）左側(cè)前縱梁到左側(cè)塔座到左側(cè)上邊梁到左側(cè)A柱；

（4）右側(cè)前縱梁到右側(cè)塔座到右側(cè)上邊梁到右側(cè)A柱；

（5）左右側(cè)機艙縱梁到左右側(cè)縱梁內(nèi)側(cè)接頭到前圍上部橫梁。

整個正碰框架的主要部件包括：前防撞梁、前縱梁、short gun、上邊梁、塔座、A柱、前塔座、縱梁根部接頭、前圍根部橫梁、前圍上部橫梁、門檻、中通道、前圍板和前地板等，其中前防撞梁到前縱梁區(qū)域為主要吸能區(qū)域（要求吸能效率大幅提升），前塔座到前圍板區(qū)域為變形過渡區(qū)域（要求穩(wěn)固可靠，支撐前部吸能充分），前圍板后部為剛性區(qū)域（即乘員保護區(qū)域）。

基于不同鋁合金材料力學性能和生產(chǎn)線工藝要求，最終完成整個正碰框架材料類型的制定和結(jié)構(gòu)設計如下圖所示：

圖8 正碰框架結(jié)構(gòu)底部視圖

圖9 正碰框架結(jié)構(gòu)軸側(cè)視圖

從上圖可知：整個框架基于性能和輕量化的考慮主體采用鋁制，包括擠壓鋁、壓鑄鋁和沖壓鋁，基于合拼線鋼制約束，與上下車體合拼區(qū)域的過渡件則采用鋼制。

4 CAE及試驗效果驗證

表1 全正碰FRB仿真分析結(jié)果

基于正碰框架結(jié)構(gòu)進行CAE分析，各項結(jié)果均滿足相關(guān)要求，F(xiàn)RB正碰和ODB偏置碰的CAE驗證車身指標結(jié)果匯總?cè)绫?和表2所示。

表2 偏置碰ODB仿真分析結(jié)果匯總

正碰框架結(jié)構(gòu)通過CAE驗證后，進行試驗樣件制作和整車正碰試驗，各項結(jié)果均滿足相關(guān)要求，F(xiàn)RB正碰和 ODB偏置碰的試驗車身指標結(jié)果匯總?cè)绫?所示：

表3 實驗結(jié)果匯總表

ODB整車試驗乘員傷害得分結(jié)果如表4所示：

表4 偏置碰ODB乘員傷害值得分列表

5 結(jié)論

本文針對純電動車車身正碰結(jié)構(gòu)設計痛點和難點，基于純電動車與傳統(tǒng)燃油車的差異化布置分析，全新設計和布局正面碰撞框架傳力路徑，確定正面碰撞框架結(jié)構(gòu)，完成且通過了CAE和試驗驗證，形成了一套完整的，已應用于量產(chǎn)項目的主體鋁制純電動車身正面碰撞框架結(jié)構(gòu)，包括：

（1）完整可行的技術(shù)路線流程，基于此技術(shù)路線逐步搭建主框架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化并驗證，且形成相關(guān)的知識積累沉淀，為后續(xù)類似車型開發(fā)提供參考和指導；

（2）基于純電動汽車特點的布置分析，針對其與傳統(tǒng)燃油車布置的差異進行實體建模設計，更能與純電動車需求相匹配；

（3）主框架路徑的設計，基于特定的正面工況下的正面?zhèn)髁β窂竭M行結(jié)合工程約束的路徑布局，區(qū)分主、輔路徑，考慮碰撞吸能效率的提升和乘員的保護；

（4）主框架結(jié)構(gòu)的設計，基于整個全新的碰撞傳力路徑中各個部件的結(jié)構(gòu)性能、類型、產(chǎn)線約束等綜合因素考慮，進行合理選材，支撐結(jié)構(gòu)方案的最終制定；

（5）此正面碰撞框架結(jié)構(gòu)的CAE和試驗的各項車身性能指標均滿足相關(guān)要求，且 ODB工況（正面碰撞下更為惡劣的工況）下的整車乘員傷害得分也能滿足相關(guān)要求，說明上述方法流程可行且有效。