電動(dòng)汽車的車身柱碰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

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摘要：國家和人民對(duì)電動(dòng)汽車安全越來越重視，根據(jù)C-NCAP管理規(guī)則柱碰已被納入電動(dòng)汽車的安全性能考查項(xiàng)，因此，有必要對(duì)電動(dòng)汽車車身柱碰結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。基于電動(dòng)汽車柱碰安全性能，建立車身柱碰結(jié)構(gòu)仿真分析模型，研究增加門檻型腔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和新增碰撞力傳遞路徑，來滿足側(cè)面柱碰撞的要求。對(duì)比不同變量方案的分析數(shù)據(jù)，方案實(shí)施后B柱關(guān)鍵位置測(cè)點(diǎn)碰撞侵入量明顯降低，車身柱碰結(jié)構(gòu)安全性能得到大幅優(yōu)化提升，表明方向研究的正確性，對(duì)于以后的研發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；側(cè)面柱碰；汽車車身；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近二十年來燃油汽車迎來大發(fā)展，中國汽車年銷量逼近2600萬輛，但汽車行業(yè)的大發(fā)展帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。為了保護(hù)環(huán)境，許多國家把禁售燃油車提上了日程，節(jié)能環(huán)保的新能源汽車得到大家一致的認(rèn)可，全球尤其是中國大力發(fā)展新能源電動(dòng)汽車。隨著汽車的發(fā)展進(jìn)步，國家和人民對(duì)汽車安全越來越重視，不斷提出更高的安全等級(jí)，保護(hù)乘員在碰撞事故中的生命財(cái)產(chǎn)安全。碰撞安全方面，側(cè)面碰撞事故發(fā)生率最高，致傷率居第一位[1]，根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》，對(duì)于新能源車，柱碰（Poleimpact）已被納為一個(gè)考查項(xiàng)，總分為16分，占比較大，因此，很有必要對(duì)電動(dòng)汽車車身柱碰結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

1建立車身柱碰結(jié)構(gòu)模型

1.1結(jié)構(gòu)研究背景

汽車側(cè)面柱碰是指汽車與柱狀物（路邊的樹木、電線桿、交通指示牌等）發(fā)生側(cè)面碰撞[2]。柱碰從2021年開始納入中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China-NewCarAssessmentProgram,C-NCAP）強(qiáng)制項(xiàng)，是評(píng)價(jià)高品質(zhì)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵指標(biāo)之一。同時(shí)電動(dòng)汽車相對(duì)傳動(dòng)燃油汽車，在車身地板下方布置了電池包，發(fā)生側(cè)面柱碰撞時(shí)不僅要保護(hù)乘員安全，也要保護(hù)電池包的安全，避免碰撞后電池包泄漏、起火等危險(xiǎn)情況發(fā)生。仿真技術(shù)是汽車工業(yè)中很重要的一環(huán)，可在項(xiàng)目前期考慮結(jié)構(gòu)性能，完成分析優(yōu)化，達(dá)到分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)的目的，能極大地降低汽車研發(fā)周期和成本[3]。通過模擬分析在方案設(shè)計(jì)階段，找出車身柱碰結(jié)構(gòu)不足之處，尋求優(yōu)化解決方案，驗(yàn)證分析方案的有效性，從而降低實(shí)車碰撞的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)介

按照C-NCAP試驗(yàn)要求，整車以32km/h行駛速度與直徑254mm的剛性柱發(fā)生碰撞；平行于車輛碰撞速度矢量的垂直面與車輛縱向中心線之間形成75°碰撞角；剛性柱表面中心線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)車輛碰撞側(cè)外表面與通過假人頭部重心垂直平面的交叉線（碰撞基準(zhǔn)線）；建立如圖1所示的柱碰仿真分析模型。圖1柱碰仿真分析模型

1.3關(guān)鍵性能輸出項(xiàng)

柱碰撞發(fā)生后，裝機(jī)部位受力產(chǎn)生嚴(yán)重變形，給汽車?yán)飩?cè)的乘員安全帶來巨大威脅，需要對(duì)其損傷進(jìn)行考量，作為對(duì)車身結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)柱碰試驗(yàn)及相關(guān)研究表明，B柱位置正好對(duì)應(yīng)假人身軀，因此，將B柱作為關(guān)鍵性能輸出項(xiàng)[4]，由此可在B柱上選取影響較大點(diǎn)的侵入量作為輸出性能項(xiàng)，如圖2所示假人身軀重點(diǎn)部位頭部、肩部、胸部、腹部和盆骨分別對(duì)應(yīng)在車身結(jié)構(gòu)B柱上的位置，輸出相關(guān)性能匯總?cè)绫?所示。

2車身柱碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

有研究表明，側(cè)面柱碰試驗(yàn)與側(cè)面碰撞試驗(yàn)相比，側(cè)面柱碰撞造成了對(duì)乘員更嚴(yán)重的損傷風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)車身耐撞性提出了更高要求，門檻梁和地板橫梁剛度是影響車輛側(cè)面柱碰結(jié)構(gòu)耐撞性主要因素[5]。故可以將車身柱碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重心放在門檻型腔結(jié)構(gòu)和地板橫梁結(jié)構(gòu)上，針對(duì)新的側(cè)面柱碰要求，設(shè)計(jì)其專屬車身柱碰結(jié)構(gòu)。一是在門檻腔體里面增加加強(qiáng)零件，參考鋁合金前防撞梁優(yōu)秀的碰撞特性，設(shè)計(jì)門檻型材加強(qiáng)梁填充在型腔內(nèi)，大幅增強(qiáng)門檻梁型腔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抵抗碰撞變形的能力。二是在地板上對(duì)應(yīng)柱碰位置設(shè)計(jì)超高強(qiáng)鋼的地板柱碰橫梁，不僅提高地板整體結(jié)構(gòu)性能，而且新增一條碰撞力傳遞路徑，快速引導(dǎo)碰撞側(cè)的力傳遞到非碰撞側(cè)，從而減少車內(nèi)碰撞的侵入，增大安全空間。由此本文電動(dòng)汽車車身梁柱碰結(jié)構(gòu)研究方向是在傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)上增加門檻型材加強(qiáng)梁和地板柱碰橫梁，車身柱碰主要梁系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3車身柱碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)研究?jī)?yōu)化方向，提出四個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案模型，如表2所示。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)研究方向準(zhǔn)確性，優(yōu)化方案變量設(shè)定采用單一變化方式，每個(gè)方案間互相形成對(duì)比，車身柱碰結(jié)構(gòu)方案在傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)上驗(yàn)證分別增加門檻型材加強(qiáng)梁和增加地板柱碰橫梁，以及兩者都增加的時(shí)候側(cè)面柱碰性能提升效果。

3.2基于優(yōu)化方案柱碰模擬分析

為了清晰地確定各車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BAS上的效果，不同的車身柱碰結(jié)構(gòu)在側(cè)面柱碰模仿真擬分析時(shí)，各自輸出對(duì)應(yīng)柱碰撞過程中相關(guān)B柱位置測(cè)點(diǎn)的侵入量數(shù)值，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。對(duì)比結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，在BAS上增加門檻型材加強(qiáng)梁的CAS1和增加地板柱碰橫梁CAS2均十分有效，對(duì)應(yīng)B柱關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)位置的碰撞侵入量明顯大幅降低，對(duì)比優(yōu)化前最大減少了74.65mm；方案CAS3門檻型材加強(qiáng)梁和地板柱碰橫均增加，對(duì)比BAS方案B柱測(cè)點(diǎn)侵入量最大減少了89.81mm，降幅達(dá)到66%。由此可得，增加門檻型材加強(qiáng)梁能提升了門檻型腔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加地板柱碰橫梁新增了側(cè)面柱碰撞力傳遞路徑，車身側(cè)面柱碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果極佳，實(shí)現(xiàn)了車身柱碰結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升的目的，滿足側(cè)面柱碰的性能要求。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

某型電動(dòng)汽車車身柱碰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用CAS3方案，增加了門檻型材加強(qiáng)梁和地板柱碰橫梁。實(shí)車生產(chǎn)制造出來后，按照對(duì)應(yīng)側(cè)面柱碰國標(biāo)要求進(jìn)行實(shí)車的碰撞試驗(yàn)，測(cè)試前排假人頭部、胸部、腹部和骨盆的損傷情況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)B柱位置的每個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)位置的得分，均十分優(yōu)秀，很好地保護(hù)了乘員的安全。

5結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車特有的柱碰安全性能要求，研究車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?？梢詮哪M分析和實(shí)車驗(yàn)證中確定，地板上增加了柱碰橫梁，新增了碰撞力傳遞路勁，大幅降低了B柱侵入量；同時(shí)門檻增加鋁合金型材加強(qiáng)梁，利用鋁型材高效吸能特性，也極大提升了車身門檻抵抗變形的能力，減小對(duì)B柱的侵入，從而保護(hù)乘員和電池包安全，對(duì)于后期車身柱碰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。在以后的側(cè)面柱碰撞車身結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)中，建議如下：（1）門檻型腔結(jié)構(gòu)。門檻具有吸能抵抗變形的作用，設(shè)計(jì)時(shí)型腔內(nèi)填充高效吸能的鋁合金型材，增強(qiáng)腔體結(jié)構(gòu)性能。（2）地板橫梁結(jié)構(gòu)。橫梁具有吸收傳遞碰撞力作用，設(shè)計(jì)柱碰正對(duì)位置的橫梁，快速地將碰撞力傳遞到非碰撞側(cè)。

作者:王勇 王翼 唐東升 單位:威馬汽車科技集團(tuán)有限公司