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        小型新能源敞篷車車身設(shè)計分析與優(yōu)化

        2022-07-05 09:47:12劉華官覃大煜
        時代汽車 2022年13期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)新能源結(jié)構(gòu)

        劉華官 覃大煜

        上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

        1 引言

        隨著社會發(fā)展,人們物質(zhì)生活水平的提高,敞篷車的時尚化、潮流化、個性化和酷炫化滿足了人們對個性化的追求。

        敞篷車車型缺少B、C 柱,采用自動折疊篷蓋代替硬頂車頂,結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜[1],一體性較差。敞篷車對車輛性能和安全性要求更高。目前車身結(jié)構(gòu)技術(shù)及乘員保護技術(shù)尚未成熟。李磊等利用杠桿原理對敞篷車車身結(jié)構(gòu)分析,找出最優(yōu)的碰撞載荷傳遞路徑。王鉦強等使用CATIA 完成了四門敞篷車的車身設(shè)計,滿足了四門敞篷車對車身結(jié)構(gòu)和強度的難度要求,并進行了實車驗證。

        本論文通過對兩座小型新能源座敞篷車白車身模態(tài)、剛度、強度、正面碰撞、側(cè)面碰撞建模分析以及整車實車驗證,為小型新能源敞篷車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一套可靠的設(shè)計方法。

        2 小型新能源敞篷車車身結(jié)構(gòu)特點

        為保護動力電池和合理布置整車載重,小型新能源敞篷車動力電池一般安裝于車身中部位置,而這也讓整個車身下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大變化。

        為確保足夠的成員空間,小型新能源汽車的前/后懸都設(shè)計得較短,在發(fā)生碰撞時,碰撞力傳遞、潰縮變形和吸能性能等方面表現(xiàn)較差。且其白車身上體為“敞開式”的結(jié)構(gòu)設(shè)計,如圖1,A 柱與B 柱上端是“斷橋式”結(jié)構(gòu),其能量傳遞路徑是斷開的,能量無法從A 柱上端向車后傳遞,需下車體結(jié)構(gòu)承擔(dān)更多的碰撞能量傳遞和吸能作用。

        圖1 新能源敞篷車示意圖

        3 小型新能源敞篷車車身設(shè)計基本要求

        小型新能源汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足模態(tài)、剛度和強度等靜態(tài)性能以及國家汽車行業(yè)相關(guān)的動態(tài)性能及法規(guī)要求。如GB11551-2014《汽車正面碰撞的成員保護》、GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞乘員保護》、FMVSS-208《乘員碰撞保護》、GB11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》、GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》等。

        4 小型新能源敞篷車靜態(tài)性能分析及優(yōu)化

        4.1 車身模態(tài)分析及優(yōu)化

        結(jié)合小型新能源敞篷車結(jié)構(gòu)特點、整車性能指標(biāo)以及對行業(yè)敞篷車結(jié)構(gòu)對標(biāo)分析,設(shè)定了敞篷車車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)>22Hz,彎曲模態(tài)>25Hz和前艙橫擺模態(tài)>75Hz。因敞篷車上車體為“敞開式”的結(jié)構(gòu),車身抗扭轉(zhuǎn)/彎曲加強結(jié)構(gòu)主要在兩側(cè)門檻上,如圖2(a)所示,并在動力電池正下方增加“X”形構(gòu)件(b),其通過螺栓與車身連接。經(jīng)CAE 仿真分析,各模態(tài)指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求,如圖2(c)及表1 所示。

        表1 模態(tài)仿真結(jié)果

        圖2

        4.2 車身強度分析及優(yōu)化

        車身強度即發(fā)生碰撞時車身抵抗變形的能力,車身強度不足時將導(dǎo)致車身發(fā)生開裂、斷裂、塑變及壓潰,使車身喪失安全使用功能而無法保乘成員安全。

        小型新能源敞篷車受車內(nèi)空間需求、動力電池的布置及“敞開式”車身結(jié)構(gòu)等因素影響,為保證車身強度,內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用了大量的高強度鋼板(強度>1200MPa)。如圖3 所示,車身門框前/后轉(zhuǎn)角處應(yīng)力最大有138MPa(側(cè)圍外板材料>145MPa),車身結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖3 強度仿真分析示意圖

        4.3 車身剛度分析及優(yōu)化

        車身剛度即車身抗變形能力,與整車耐用性、安全性、舒適性、駕駛性能等息息相關(guān)。結(jié)合新能源敞篷車性能定義要求,根據(jù)其車身結(jié)構(gòu)特點,設(shè)定了剛度性能指標(biāo):扭轉(zhuǎn)剛度>8500N.m/deg、 彎 曲 剛 度>7500N/mm。對標(biāo)行業(yè)敞篷車車身結(jié)構(gòu),在動力電池正下方增加“X”形構(gòu)件,CAE 分析如表2 所示,整車剛度滿足指標(biāo)要求。

        表2 剛度仿真結(jié)果

        5 小型新能源敞篷車動態(tài)性能分析

        5.1 GB11551-2014 《汽車正面碰撞的成員保護》分析

        小型新能源汽車整車尺寸小,為保證更大的乘員空間,犧牲了其前/后懸的長度,而前懸長度又直接決定汽車正面碰撞吸能空間,影響整車正面碰撞性能。為解決正面碰撞問題,設(shè)計了三條傳力路徑的三級傳力車身結(jié)構(gòu),如圖4 所示。

        圖4 傳力路徑示意圖

        路徑①縱梁作為主要傳力通道,碰撞后第一時間有效地將碰撞力傳遞至門檻邊梁。

        路徑②副車架上設(shè)計一個吸能橫梁結(jié)構(gòu),通過副車架傳遞碰撞力至車身前三橫梁構(gòu)件上,形成一個“空間三角體”傳力結(jié)構(gòu),再借助電池包兩側(cè)結(jié)構(gòu)加強梁向后傳力。

        路徑③車身上設(shè)計一個“金字塔”式的Shotgun 合件,作為第三條傳力路徑,將碰撞力通過車門上/下縱梁向后傳遞。

        如圖5 所示,經(jīng)50km/h 正面碰撞分析,乘員艙結(jié)構(gòu)完整,滿足GB11551 法規(guī)要求。

        圖5 50km/h正面碰撞仿真試驗示意圖

        5.2 GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞乘員保護》分析

        敞篷車側(cè)面碰撞時,入侵車內(nèi)乘員空間的主要結(jié)構(gòu)件有車體門檻、B 柱、車門和防翻滾裝置等,其碰撞力的傳遞路徑如圖6(a)所示。經(jīng)仿真分析可知,門檻與B 柱處承受的力最大,此處車門入侵量也是最大的。為減小入侵量,優(yōu)化車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及零件選材,如圖6(b)所示:

        圖6 傳力路徑圖

        (1)將門檻結(jié)構(gòu)截面增大,門檻內(nèi)板采用料厚2.0mm 的高強度熱成型鋼(1500MPa),同時加大B 柱接角結(jié)構(gòu)件;

        (2)車門后下角內(nèi)增加一個料厚2.0mm的熱成型鋼(1500MPa)加強板。

        (3)車內(nèi)增加“人”字形傳力熱成型管梁構(gòu)件(1500MPa),管梁直徑φ25mm,料厚1.5mm。

        通過CAE 仿真及實車碰撞驗證可知,該設(shè)計滿足側(cè)面碰撞法規(guī)GB20071-2006要求,如圖7、表3 所示。

        表3 乘員傷害測試結(jié)果表

        圖7 側(cè)向碰撞仿真圖

        5.3 GB20072-2006 《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》及GB/T31498-2021《電動汽車碰撞后安全要求》分析

        動力電池布置在車身前后軸之間,通過螺栓將動力電池與車身連接。結(jié)合動力電池安全性能要求制定了仿真評價指標(biāo):電池包及支架最大侵入量≤5mm,蓄電池及支架最大應(yīng)變≤0.35。經(jīng)CAE 仿真分析及實車驗證,結(jié)果如圖8 所示,電池包侵入量為3.5mm,蓄電池及支架最大應(yīng)變≤0.016,本設(shè)計滿足GB20072-2006、GB/T31498-2021 要求。

        圖8 整車后碰CAE仿真示意圖

        5.4 GB11552-2009 《乘用車內(nèi)部凸出物》分析

        作為一款小型新能源汽車,以經(jīng)濟性為核心,簡化內(nèi)飾造型及車身結(jié)構(gòu)設(shè)計,避免內(nèi)部凸出物超出法規(guī)限值要求。為保證基本安全性能要求,利用CAE 模擬碰撞仿真,降低內(nèi)部突出物高度設(shè)計,并經(jīng)試車碰撞驗證,其結(jié)果如圖9、表4 所示,滿足GB11552 法規(guī)要求。

        表4 敞篷車內(nèi)部凸出物動態(tài)試驗仿真

        圖9 乘用車人體頭部模擬碰撞仿真示意

        5.5 GB14167-2013 《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》分析

        敞篷車無B 柱上體結(jié)構(gòu),需在座椅后方設(shè)計一個:“虛擬B 柱”為安全帶提供安裝點。結(jié)合敞篷機構(gòu)布置要求,在后地板上設(shè)計截面積為35000mm矩形結(jié)構(gòu),其與防翻裝置設(shè)計組成“龍門式”框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)CAE 仿真分析,結(jié)果如圖10、表5所示,滿足GB14167法規(guī)要求。

        表5 車身及座椅最大應(yīng)變表

        圖10 CAE分析的示意圖

        5.6 FMVSS-208《乘員碰撞保護》分析

        受軟頂敞篷機構(gòu)及其強度影響,需增加翻滾保護系統(tǒng)設(shè)計,該系統(tǒng)由兩部分結(jié)構(gòu)組成,如圖11 所示。第一部分結(jié)構(gòu)為在座椅靠背后增加一個“方梁式”防滾裝置,主體結(jié)構(gòu)截面為矩形。其主體結(jié)構(gòu)上方焊接兩根高強度折彎鋼管,通過焊接和螺栓連接的組合方式與車身側(cè)圍連接形成整體結(jié)構(gòu)。第二部分結(jié)構(gòu)為在左/右A 柱增加高強度折彎鋼管結(jié)構(gòu),折彎鋼管通至B 柱處。防滾裝置上的兩根折彎鋼管上端與A 柱上的折彎鋼管的上端形成“理論支撐平面”,形成翻滾保護系統(tǒng)。

        圖11 翻滾保護系統(tǒng)設(shè)計示意

        模 擬 以48.5km/h 時 速, 側(cè) 向 進 行翻滾試驗仿真,翻滾過程中,地面最大受力為55kN,假人頭部離地最小距離大于32.5mm,車身結(jié)構(gòu)入侵量均小于35mm,結(jié)果表明此翻滾保護系統(tǒng)滿足美國高速公路安全管理局(NHTSA)制定的FMVSS208 測試標(biāo)準(zhǔn)要求,如圖12 和表6 所示。

        表6 車身結(jié)構(gòu)侵入量分析結(jié)果表

        圖12 地面與車身接觸力

        5.7 其它動態(tài)性能分析

        根據(jù)敞篷車的特殊性和用戶應(yīng)用場景出發(fā),綜合實際工況,制定了2 項模擬頂壓分析的工程指標(biāo):(1)頂部加載正向下裝置力,車身結(jié)構(gòu)可承受力>45kN;(2)受力45kN 時車身變形位移量<85mm。通過CAE仿真分析如圖13,本軟頂敞篷車最大可承受87.1kN,滿足目標(biāo)設(shè)定;受力達45kN 時,頂蓋變形量為83.5mm,滿足目標(biāo)設(shè)定。

        圖13 頂部抗壓強度分析

        6 結(jié)語

        本文著眼于小型新能源軟頂敞篷車結(jié)構(gòu)安全性不足的缺陷,對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,并進行CAE 仿真試驗驗證,結(jié)果表明,本設(shè)計安全性良好,符合GB11551-2014、GB20071-2006、GB20072-2006、GB11552-2009、GB14167-2013、FMVSS-208 等 國 家安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,具有良好安全性,為敞篷車設(shè)計提供參考借鑒。

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