賈安祥　吳懷華　王平亮　王書(shū)

摘 要：隨著純電動(dòng)汽車(chē)的飛速發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)輕量化和安全問(wèn)題亟待解決。為了滿足新能汽車(chē)日益增長(zhǎng)的使用要求和高速純電動(dòng)汽車(chē)安全性能，本文提出一種新材料汽車(chē)前保防撞梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。為了滿足整車(chē)的碰撞性能以及輕量化要求，通過(guò)材料選擇、拓?fù)鋬?yōu)化、仿真分析，優(yōu)化防撞梁的數(shù)據(jù)，提高了防撞梁的碰撞功能和輕量化。正碰試驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的防撞梁滿足純電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全使用要求。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)；輕量化；防撞梁；碰撞安全；仿真優(yōu)化

1 引言

隨著汽車(chē)保有量的不斷增長(zhǎng)，尾氣排放日益侵蝕人類(lèi)的生存環(huán)境，溫室效應(yīng)和霧霾無(wú)時(shí)無(wú)刻不在威脅著地球人的生存空間[1]。為應(yīng)對(duì)全球氣候問(wèn)題，傳統(tǒng)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)除制定了更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)外，以中國(guó)、德國(guó)、日本和美國(guó)為主的汽車(chē)大國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)新型能源車(chē)輛，以期待排放更低，甚至是零排放；并且都根據(jù)各自國(guó)家的工業(yè)發(fā)展情況為促進(jìn)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展制定了相關(guān)的扶持性政策[2]。研究表明，汽車(chē)輕量化是影響新能源純電動(dòng)汽車(chē)的能量利用率和續(xù)航里程的關(guān)鍵因素，同時(shí)也應(yīng)保證整車(chē)安全性能不低于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)汽車(chē)正面碰撞事故約占事故總數(shù)的32%，是導(dǎo)致事故死亡人數(shù)最多的原因[3]。因此，在保證輕量化的前提下新能源汽車(chē)正面碰撞安全性能問(wèn)題至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)新材料汽車(chē)輕量化與碰撞安全的研究還處于起步階段，取得的研究成果較少，汽車(chē)碰撞的研究成果主要集中在燃油汽車(chē)。不論何種類(lèi)型何種動(dòng)力的車(chē)輛，車(chē)輛碰撞安全是必須要保證的。汽車(chē)前保防撞梁總成是汽車(chē)車(chē)身的重要組成部分，是汽車(chē)碰撞（正碰、偏置碰）安全重要的受力吸能部件和結(jié)構(gòu)；汽車(chē)前保防撞梁總成材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響汽車(chē)碰撞對(duì)乘員的安全保護(hù)能力，是汽車(chē)車(chē)身不可或缺的關(guān)鍵零部件[4]。為滿足新能源汽車(chē)整車(chē)安全性以及輕量化要求，本文提出了一種新型的輕量化汽車(chē)前保防撞梁總成結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行仿真碰撞驗(yàn)證其安全性能。

2 純電動(dòng)汽車(chē)前保防撞梁總成設(shè)計(jì)方案

2.1 傳統(tǒng)燃油車(chē)前保防撞梁總成

傳統(tǒng)燃油車(chē)或在燃油車(chē)基礎(chǔ)改動(dòng)開(kāi)發(fā)的新能源汽車(chē)的前保防撞橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。前保防撞梁多用鋼板，采用沖壓成型焊接成封閉斷面零部件，然后與吸能盒焊接成總成與前艙縱梁安裝形成車(chē)輛碰撞安全的變形、吸能、承力的核心部件。

傳統(tǒng)鋼板結(jié)構(gòu)件能很好的完成車(chē)輛碰撞安全，但總成零部件重量數(shù)量多，如圖1中前保橫梁總成分別有3個(gè)子總成16個(gè)零部件和7個(gè)零部件；需要開(kāi)發(fā)不同數(shù)量模具和工裝，開(kāi)發(fā)費(fèi)用成本高，重量比較重近4Kg，有較大的優(yōu)化空間。

2.2 新材料前保防撞橫梁結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的新材料前保防撞橫梁結(jié)構(gòu)將應(yīng)用在輕量化純電動(dòng)汽車(chē)上。純電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力電池巧妙的布置在平地板下部，車(chē)身與電池包一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能確保電池包系統(tǒng)的防護(hù)安全。電動(dòng)車(chē)為后置后驅(qū)，前艙區(qū)域比較寬裕，有較好的緩沖空間。前保橫梁總成采用鋁型材擠壓成型，左右兩個(gè)吸能盒鋁型材采用同一口型斷面機(jī)加成零部件，左右通用；安裝板采用5052鋁板件，結(jié)構(gòu)和零部件詳細(xì)構(gòu)成如圖2所示。

汽車(chē)前保防撞梁總成是正碰安全的重要核心部件之一。采用用ANSYS軟件搭建前保橫梁總成的仿真模型，根據(jù)國(guó)家正碰標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境，速度為50km/h，壁障類(lèi)型為剛性墻，碰撞角取電動(dòng)車(chē)縱軸0°，碰撞仿真模型如圖3所示。

根據(jù)國(guó)標(biāo)試驗(yàn)條件進(jìn)行CAE仿真分析得到如下分析結(jié)果。

由機(jī)艙變形圖可以看出，機(jī)艙整體變形量不大，呈現(xiàn)出剛體的特征，前機(jī)艙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，縱梁吸能不足。通過(guò)上述分析結(jié)果得出左側(cè)B柱下端加速度與右側(cè)B柱下端加速度都非常大，而且B柱下端加速度最大值達(dá)到60.2g，這表明車(chē)身在正碰過(guò)程中變形很大。

為了使碰撞安全性能更優(yōu)化，建議結(jié)構(gòu)增加吸能盒長(zhǎng)度30mm，前保橫梁總成吸能更充分，延長(zhǎng)加速度達(dá)到最大值的時(shí)間，同時(shí)也會(huì)降低最大加速度值。前保防撞橫梁由封閉斷面更改為開(kāi)口斷面，材料厚度由2.0mm調(diào)整為1.8mm，前保防撞橫梁總成重量由2.82kg變成2.05Kg，較之前的減輕0.77Kg，是傳統(tǒng)材料前保橫梁總成重量的一半。優(yōu)化后的前保橫梁結(jié)構(gòu)和零部件詳細(xì)構(gòu)成如圖5所示。

根據(jù)修改的前保橫梁總成數(shù)模，優(yōu)化仿真模型調(diào)試網(wǎng)格到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行CAE分析，分析情況如圖6所示。

由上圖分析可得：前保防撞梁總成變形合理，吸能充分，前縱梁前部參與變形，后部狀態(tài)穩(wěn)定；正面碰撞過(guò)程中，整車(chē)加速度峰值53.3g小于目標(biāo)值55g，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；前保防撞梁總成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，輕量化成果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)整車(chē)輕量化的要求，前保防撞橫梁總成采用的新材料和新的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)CAE碰撞安全分析優(yōu)化，輕量化的前保防撞梁總成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，碰撞過(guò)程前保橫梁總成變形模式理想，吸能充分，整車(chē)加速度峰值小于目標(biāo)值55g，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后設(shè)計(jì)的前保防撞橫梁總成相對(duì)自身減重0.77Kg，較傳統(tǒng)材料前保橫梁減重約50%；零部件只有5個(gè)，且部件簡(jiǎn)單容易成型，節(jié)省了模具和工裝費(fèi)用，是一次非常成功的輕量化新材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張凱. 西安市機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染控制研究[D]. 長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[2]李黎.中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力研究[D]. 吉林大學(xué)，2012.

[3]王傳青.白車(chē)身前端結(jié)構(gòu)—材料—性能一體化輕量化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].2016.

[4] 陳緒.前?？偝山Y(jié)構(gòu)在轎車(chē)前碰撞中的耐撞性優(yōu)化研究[D]. 湖南大學(xué)，2012.