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周青等：汽車碰撞安全與輕量化研發(fā)中的若干挑戰(zhàn)性課題
2019-07-30 19:54:30· 來源：中國公路學(xué)報 作者：周青
周青，現(xiàn)任清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院汽車安全講席教授，兼任中國汽車工程學(xué)會汽車安全技術(shù)分會主任委員，International Journal of Impact Engineering副主編，Int
周青，現(xiàn)任清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院汽車安全講席教授，兼任中國汽車工程學(xué)會汽車安全技術(shù)分會主任委員，International Journal of Impact Engineering 副主編，International Research Council on Biomechanics of Injury (IRCOBI) 理事。主要研究領(lǐng)域為汽車碰撞安全、人體碰撞保護(hù)、材料和結(jié)構(gòu)在碰撞載荷下的大變形失效以及動力電池碰撞安全等。
內(nèi)容提要：
汽車結(jié)構(gòu)與動力電池的碰撞安全性是開發(fā)輕量化、電動化汽車的強(qiáng)制性要求和關(guān)鍵的基礎(chǔ)性支撐技術(shù)。本文通過三個方面的10個典型課題及結(jié)果，介紹并綜述汽車碰撞安全性研發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)。
第一，采用夾層式汽車前艙罩蓋技術(shù)，提升罩蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的橫向均勻性以及沖擊響應(yīng)歷程的均勻性，滿足汽車吸能位移限定下的行人頭部碰撞響應(yīng)控制；采用精細(xì)人體有限元模型解析復(fù)雜工況下行人下肢損傷機(jī)理和影響參數(shù)，基于人體組織損傷層面的虛擬評估改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)的人體碰撞保護(hù)設(shè)計；面向復(fù)雜道路交通事故工況和多樣化人體特征，解決強(qiáng)非線性條件下的自適應(yīng)智能乘員保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計難題，通過在時間和空間上對乘員約束載荷的均衡化實現(xiàn)針對工況可調(diào)的碰撞保護(hù)。
第二，揭示材料沖擊測試中系統(tǒng)共振導(dǎo)致信號振蕩和材料屈服放大振蕩的機(jī)理，開發(fā)抑制信號振蕩的輕質(zhì)動態(tài)力傳感器；精細(xì)表征材料在碰撞載荷和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，針對高強(qiáng)鋼、塑料、膠粘和焊點等輕質(zhì)高強(qiáng)材料及復(fù)合連接接頭建立大變形失效斷裂預(yù)報方法及仿真模型。
第三，基于動力電池多工況擠壓試驗，建立電池在外載荷作用下的材料失效、電壓陡降與溫度上升的響應(yīng)特征關(guān)聯(lián)性，提出一個用力學(xué)響應(yīng)特征預(yù)測電池內(nèi)部損傷起始和短路發(fā)生的判據(jù)，解決電池在機(jī)械濫用載荷下的短路預(yù)測問題，建立能準(zhǔn)確預(yù)測電池變形響應(yīng)的數(shù)值模型及碰撞安全評估方法，應(yīng)用于電池包和電動車的輕量化與碰撞安全性設(shè)計。
0 引言
以輕量化和電動化為主導(dǎo)的汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級是提升中國制造能力的重要內(nèi)容。汽車的小型化、輕量化、電動化和智能化給汽車碰撞安全性設(shè)計提出了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在汽車輕量化和電動化技術(shù)升級與應(yīng)用中，與汽車碰撞事故中人員安全、結(jié)構(gòu)安全以及動力電池安全相關(guān)的主要技術(shù)瓶頸體現(xiàn)在：
(1) 輕量化和小型化要求導(dǎo)致汽車碰撞剛度提高，缺乏道路事故工況和嚴(yán)苛碰撞波形下對行人及乘員提供有效保護(hù)的技術(shù)以及安全評測工具和設(shè)計方法，無法有效解決低成本車輛和小型車輛在碰撞吸能位移不足與降低乘員和行人傷亡風(fēng)險之間的設(shè)計沖突；
(2) 缺乏對輕質(zhì)高強(qiáng)材料和連接接頭在碰撞載荷下的大變形斷裂失效的力學(xué)性能表征和仿真技術(shù)，缺乏基于異種材料和復(fù)合連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和斷裂控制技術(shù)，無法保障復(fù)雜工況下輕量化車身和動力電池碰撞保護(hù)設(shè)計的質(zhì)量和效率；
(3) 車用動力電池在碰撞沖擊下變形破壞和內(nèi)短路失效機(jī)理不明確，難以準(zhǔn)確預(yù)測碰撞工況下動力電池的損傷和熱失控風(fēng)險，使得電池針對碰撞載荷經(jīng)常處于“過保護(hù)”或“保護(hù)不足”的狀態(tài)，不利于實現(xiàn)車輛輕量化。
新一代的汽車碰撞安全技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)有很大區(qū)別。傳統(tǒng)開發(fā)方式以整車碰撞測試和逆向工程經(jīng)驗為主，新一代技術(shù)核心是把設(shè)計開發(fā)的重心和時間投入前移到材料和子結(jié)構(gòu)層面，通過精細(xì)化的材料力學(xué)性能試驗表征，在材料和結(jié)構(gòu)層面上進(jìn)行機(jī)理解析，其關(guān)鍵是通過碰撞仿真來預(yù)測材料和結(jié)構(gòu)的失效，進(jìn)而給出斷裂抑制設(shè)計和輕量化設(shè)計，以此來提高整車碰撞仿真的精度，加快開發(fā)周期，降低成本。
基于本研究團(tuán)隊在過去十多年中的研究成果，本文通過10個研究課題及結(jié)果，論述汽車碰撞安全性研發(fā)中的若干技術(shù)挑戰(zhàn)。這些研究課題的主體是汽車結(jié)構(gòu)與動力電池系統(tǒng)的碰撞安全性設(shè)計，代表新一代汽車碰撞安全技術(shù)。這些難題來源于工程實際，基礎(chǔ)是沖擊力學(xué)理論，研究手段是材料和結(jié)構(gòu)的沖擊力學(xué)試驗以及計算仿真分析。無論對象是人體結(jié)構(gòu)，還是電池材料或電芯結(jié)構(gòu)，亦或是高強(qiáng)鋼B柱及焊點，我們都是研究其在碰撞載荷下的失效機(jī)理和損傷控制方法，建立高精度計算仿真模型，對其在沖擊載荷下的變形與失效行為進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，并應(yīng)用從時間和空間上均衡化其碰撞響應(yīng)歷程的思想，提升汽車碰撞安全保護(hù)性能，形成人體碰撞損傷分析與保護(hù)、輕量化結(jié)構(gòu)碰撞失效控制與設(shè)計、以及車用動力電池碰撞失效預(yù)測及保護(hù)的技術(shù)體系。
本文所介紹的成果多是由本研究團(tuán)隊的國際合作課題和國家縱向課題產(chǎn)生，并結(jié)合國內(nèi)汽車企業(yè)的研發(fā)需求，通過校企合作對相關(guān)方法和技術(shù)進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)，并應(yīng)用于多款自主品牌的量產(chǎn)車型中，實現(xiàn)了國際開放合作創(chuàng)新基礎(chǔ)上的自主應(yīng)用。
1 復(fù)雜工況及吸能空間限定下的人體碰撞保護(hù)技術(shù)
1.1 滿足行人頭部碰撞保護(hù)要求的夾層式汽車前艙罩蓋技術(shù)
在行人與汽車的碰撞事故中，汽車前艙罩蓋須起到降低行人頭部碰撞損傷風(fēng)險的功能。罩蓋下方空間狹小，碰撞吸能位移受限，以及傳統(tǒng)的汽車前艙罩蓋結(jié)構(gòu)變形強(qiáng)度分布不均勻、碰撞吸能效率低下，是兩個行人頭部碰撞設(shè)計的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。
針對上述問題，我們發(fā)明的面向行人頭部碰撞安全保護(hù)的均勻構(gòu)型夾層汽車前艙罩蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)[1-6]（圖 1、圖 2）是一種有效且低成本的行人頭部碰撞保護(hù)方式。其基本思想是，沿行人頭部沖擊方向，通過分析初始碰撞的慣性力和罩蓋隨動質(zhì)量的影響設(shè)計控制初始碰撞波峰，之后碰撞抗力迅速下降；隨著沖擊位移的增大，罩蓋膜力效應(yīng)開始起作用，碰撞抗力再次上升；當(dāng)罩蓋下方的吸能空間用盡以后，以罩蓋夾層的局部壓潰來控制碰撞力的尾峰，吸收殘余動能[2]。在罩蓋的面內(nèi)方向，根據(jù)行人頭部碰撞響應(yīng)過程主導(dǎo)因素不同，劃分碰撞波形階段與前艙罩蓋特征區(qū)域，通過夾層結(jié)構(gòu)形式和厚度分布補(bǔ)償因邊界約束等造成的罩蓋變形剛度分布不均，實現(xiàn)罩蓋碰撞響應(yīng)全局最優(yōu)。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，使得行人頭碰撞保護(hù)所需的罩蓋下方空間減少了20%。夾層式罩蓋設(shè)計實現(xiàn)了頭部模塊碰撞歷程的均勻化和罩蓋橫向剛度分布的均勻化，由此形成了行人頭模塊碰撞波形控制理論以及相應(yīng)的夾層罩蓋設(shè)計方法，能夠同時突破罩蓋變形強(qiáng)度不均和下方吸能位移受限兩個難點。
(a) 行人頭部模塊與前艙罩蓋碰撞過程
(b) 夾層板結(jié)構(gòu)罩蓋與原結(jié)構(gòu)碰撞波形比較
圖 1 行人頭部模塊碰撞波形控制
(a) 夾層式設(shè)計方案
(b) 結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖 2 面向行人頭部碰撞保護(hù)的汽車前艙罩蓋開發(fā)
1.2 基于人體模型的行人下肢碰撞損傷研究
在行人與汽車碰撞事故中，行人下肢與保險杠接觸形式復(fù)雜，膝關(guān)節(jié)韌帶斷裂和腿骨骨折等損傷與行人姿態(tài)及體型、人車接觸速度、接觸位置和接觸方向以及汽車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計等高度相關(guān)。人體有限元模型是近年新發(fā)展起來的用于碰撞損傷研究和碰撞保護(hù)設(shè)計的工具，可以從人體組織層面評估損傷，基于真實的損傷情況來改進(jìn)人體碰撞保護(hù)設(shè)計[7-8]。人體模型本身也需要在研究和應(yīng)用中改進(jìn)。針對行人下肢碰撞保護(hù)的汽車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計中同樣呈現(xiàn)碰撞工況復(fù)雜和吸能空間限定的難點，我們采用先進(jìn)的人體數(shù)值模型作為工具，先解析出復(fù)雜工況下行人下肢碰撞響應(yīng)與損傷機(jī)理，找出車身造型與結(jié)構(gòu)變量對損傷的影響規(guī)律（圖3），進(jìn)而建立一個基于人體損傷預(yù)測的保險杠設(shè)計系統(tǒng)[9-10]，彌補(bǔ)了基于法規(guī)設(shè)計的不足[11]。采用接觸剛度可變的保險杠結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)區(qū)分行人碰撞和整車碰撞不同工況的碰撞響應(yīng)控制[12]。
圖 3 采用人體數(shù)值模型評估復(fù)雜人車碰撞工況下的下肢損傷
道路事故數(shù)據(jù)分析表明，行人下肢損傷與姿態(tài)和體型顯著相關(guān)。為了研究其影響機(jī)理，我們基于解剖學(xué)特征的人體有限元模型，建立姿態(tài)調(diào)整快速計算框架，在此基礎(chǔ)上增加人體幾何統(tǒng)計學(xué)模型，開發(fā)參數(shù)化行人人體有限元模型，作為多種體型特征行人碰撞和損傷研究的工作平臺。采用以上算法和平臺，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)自然彎曲可降低損傷風(fēng)險的機(jī)理，解釋肥胖所增加的慣性力與下肢損傷風(fēng)險提高的關(guān)系，為汽車的自適應(yīng)行人保護(hù)結(jié)構(gòu)提供一定的設(shè)計依據(jù)[13-14]（圖 4）。
圖 4 具備不同行走姿態(tài)的人體模型
1.3 滿足復(fù)雜工況的乘員碰撞響應(yīng)控制技術(shù)
汽車碰撞事故中，外載荷的形式與強(qiáng)度、乘員狀態(tài)以及乘員約束保護(hù)決定車內(nèi)乘員碰撞損傷風(fēng)險。小型車和輕量化車的碰撞波形比普通轎車更為復(fù)雜和嚴(yán)苛，車輛前部結(jié)構(gòu)吸能位移和乘員艙內(nèi)的生存空間有限，使得在強(qiáng)沖擊載荷作用下，通過汽車前端結(jié)構(gòu)碰撞變形和乘員約束系統(tǒng)作用傳遞到乘員身體上的載荷很難均勻，加上乘員狀態(tài)多樣性，導(dǎo)致人體承受的載荷在時間和空間上呈現(xiàn)很強(qiáng)的非均勻分布特性，能量吸收空間利用率低下。
針對乘員整體碰撞響應(yīng)姿態(tài)控制的難題，一個可能的解決策略是建立基于膝部擋板、座椅姿態(tài)和剛度調(diào)節(jié)的乘員碰撞響應(yīng)姿態(tài)控制方法（圖 5），核心是利用碰撞初始的高慣性力來平衡碰撞后期的吸能位移，充分利用外載荷沖擊在時間歷程和空間分布的特點來控制人體碰撞響應(yīng)姿態(tài)，通過控制乘員軀干和下肢約束力的作用時間及強(qiáng)度來控制乘員的碰撞響應(yīng)姿態(tài)，使其在碰撞歷程中經(jīng)歷更為均衡的約束力，優(yōu)化安全系統(tǒng)的變形模式和響應(yīng)次序，提高能量吸收效率，實現(xiàn)損傷敏感部位沖擊力的降低，從而最小化乘員損傷風(fēng)險[15-17]。
圖 5 以座椅為核心的均衡乘員約束下的乘員碰撞響應(yīng)
滑動吸能座椅技術(shù)（圖 6）與后傾乘員的姿態(tài)控制和碰撞保護(hù)技術(shù)，不僅能有效降低尾撞工況下頸部揮鞭傷的風(fēng)險，還可與氣囊及安全帶協(xié)同作用，有效控制乘員整體運動姿態(tài)，避免乘員發(fā)生下潛運動，并在主動、被動一體化技術(shù)層面利用主動座椅控制和碰撞動能快速調(diào)整后傾乘員姿態(tài)[18-25]。
圖 6 面向乘員碰撞保護(hù)的滑動吸能座椅技術(shù)
在此基礎(chǔ)上，通過對乘員約束構(gòu)型譜的研究，進(jìn)一步得到自適應(yīng)乘員約束系統(tǒng)的關(guān)鍵影響參數(shù)和損傷輸出之間的關(guān)系，實現(xiàn)針對不同乘員身材和碰撞強(qiáng)度時，乘員約束載荷可調(diào)（圖 7），可進(jìn)一步使系統(tǒng)成為主動、被動一體化的自適應(yīng)乘員約束系統(tǒng)，對復(fù)雜碰撞工況和中國人體特征提供有針對性的碰撞保護(hù)[26]。
圖 7 面向不同體型特征的自適應(yīng)乘員約束系統(tǒng)構(gòu)型
綜上，針對實際交通事故的復(fù)雜工況和未來智能交通中可能出現(xiàn)的多樣乘員姿態(tài)和汽車內(nèi)飾環(huán)境，乘員碰撞保護(hù)設(shè)計思想應(yīng)包括：通過座椅滑動來吸收碰撞能量；通過主動調(diào)節(jié)座椅姿態(tài)和剛度來控制乘員碰撞響應(yīng)姿態(tài)；通過對乘員身體施加均衡約束載荷來降低整體損傷風(fēng)險。三者相輔相成，構(gòu)成了以座椅為核心的乘員約束系統(tǒng)設(shè)計理論，為未來智能汽車中具有多種朝向和姿態(tài)的乘員碰撞保護(hù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
1.4 適應(yīng)多方向碰撞響應(yīng)的碰撞假人技術(shù)
作為汽車碰撞安全性的人體損傷評價裝置，國際上現(xiàn)有的碰撞假人僅能適應(yīng)單一工況，分為正面碰撞假人、側(cè)面碰撞假人和后面碰撞假人等。因為實際事故工況復(fù)雜，也因為座椅安全帶對人體的加載本身就是非對稱的，實際道路交通事故中人體所經(jīng)受的載荷多為斜向碰撞。為實現(xiàn)多工況下對人體損傷的準(zhǔn)確評估，如圖 8所示，我們研發(fā)了具有高生物逼真度的多方向碰撞假人柔性胸部結(jié)構(gòu)，以同時滿足正面碰撞、側(cè)面碰撞和斜向碰撞的響應(yīng)要求，通過離散式構(gòu)型的設(shè)計滿足安全帶對胸部的局部侵入變形響應(yīng)[27]；研發(fā)了行人四自由度膝關(guān)節(jié)下肢模塊，以實現(xiàn)在多個碰撞方向上能更好的再現(xiàn)實際人車碰撞中的復(fù)雜工況，更真實的表征行人下肢模塊與保險杠變形交互作用時的響應(yīng)[28-29]。
圖 8 適應(yīng)多方向碰撞的假人胸部結(jié)構(gòu)和行人四自由度膝關(guān)節(jié)下肢模塊
2 輕質(zhì)車身材料的碰撞大變形表征及失效預(yù)測技術(shù)
2.1 材料沖擊力學(xué)測試關(guān)鍵技術(shù)
車身結(jié)構(gòu)輕量化需要對材料的性能和材料的應(yīng)用條件有全面深入的認(rèn)識。對于汽車結(jié)構(gòu)而言，耐撞性是最需要優(yōu)先保障的性能之一。在汽車碰撞事故中，車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的材料經(jīng)歷動態(tài)沖擊、塑性變形甚至失效的過程。為建立準(zhǔn)確高效的仿真預(yù)測能力，需要全面掌握材料在動態(tài)沖擊下的力學(xué)特性，認(rèn)識其變形和破壞機(jī)理。
中高應(yīng)變率材料沖擊試驗中載荷測量失真一直是材料沖擊力學(xué)測試中的一個難題，在102s-1應(yīng)變率量級的材料力學(xué)性能測試中，載荷傳感器獲得的沖擊載荷信號耦合了傳遞路徑的系統(tǒng)響應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的振蕩，難以從中提取正確的材料自身的力學(xué)響應(yīng)，無法滿足車身結(jié)構(gòu)耐撞性及輕量化的設(shè)計仿真分析需求。
針對沖擊測試系統(tǒng)核心組件的載荷傳遞路徑，通過分析中高應(yīng)變率沖擊力學(xué)性能測試中載荷信號振蕩失真的根源（圖 9），本團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，載荷信號與測試過程中的載荷輸入、試樣尺寸、夾持方式和測量裝置密切相關(guān)，進(jìn)而揭示了夾具和測量組件的質(zhì)量、剛度和阻尼對系統(tǒng)振蕩的影響規(guī)律，提出通過調(diào)整載荷測量環(huán)節(jié)固有頻率消除系統(tǒng)振蕩的關(guān)鍵思路，針對包含被測對象在內(nèi)的沖擊測試系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化，提出了集成載荷傳感器的輕型夾具工裝設(shè)計方法。將該方法用于中高應(yīng)變率下多種材料動態(tài)試驗，在多個工況下消除了力測量信號中的振蕩現(xiàn)象[30-32]。
圖9 材料動態(tài)試驗的沖擊力測量信號振蕩及抑制
除了測試系統(tǒng)參數(shù)外，被測材料的力學(xué)屬性也影響動態(tài)載荷測量信號質(zhì)量。對于具有明顯屈服平臺的材料（例如HSLA340），當(dāng)目標(biāo)應(yīng)變率達(dá)到200s-1以上，使用前述集成式輕質(zhì)載荷傳感器也難以有效抑制載荷信號振蕩，這是因為被測材料的切線模量在彈塑性過渡區(qū)有急劇變化，該擾動放大了測試系統(tǒng)諧振的幅度，給該類材料的硬化行為表征帶來困難。對此，本團(tuán)隊提出了先低速預(yù)加載試件過屈服點后卸載，再進(jìn)行高速加載的實驗方案，人工干預(yù)越過初始屈服平臺的影響，相關(guān)材料的動態(tài)試驗結(jié)果表明，該方法有助于更準(zhǔn)確地辨識中高應(yīng)變率下該類材料的塑性力學(xué)行為[33]。
2.2 輕量化材料碰撞失效機(jī)理與預(yù)測技術(shù)
汽車碰撞事故中材料變形和斷裂往往是發(fā)生在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和中高應(yīng)變率下，而目前多數(shù)材料失效表征都僅針對單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，也缺乏復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料變形和斷裂模型，使得仿真計算對車身結(jié)構(gòu)和連接接頭斷裂的預(yù)測不準(zhǔn)。本團(tuán)隊基于精細(xì)化的材料力學(xué)試驗，揭示中高應(yīng)變率范圍內(nèi)輕質(zhì)合金和高強(qiáng)鋼材料力學(xué)特性的變化規(guī)律，建立考慮應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)耦合影響的輕質(zhì)合金塑性和斷裂表征模型[34-37]；提出了多級應(yīng)變率下某類高強(qiáng)鋼的統(tǒng)一塑性硬化主曲線理論，由此建立該類材料的應(yīng)變率相關(guān)塑性硬化特性表征模型[38]；揭示應(yīng)變率、溫度與應(yīng)力狀態(tài)對熱塑性高分子材料屈服、流動和斷裂特性的影響規(guī)律，建立完整的熱塑性高分子材料大變形和斷裂力學(xué)行為表征方法[39-40]（圖 10）；揭示了保險杠泡沫吸能材料加卸載過程中的應(yīng)力軟化效應(yīng)，建立了相應(yīng)的仿真分析方法[41-42]；針對碳纖維三維編織復(fù)合材料，通過試驗和仿真，研究了編織和鋪層形式對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響[43-44]。
圖10 某類高強(qiáng)鋼的應(yīng)變率相關(guān)塑性硬化主曲線；塑料材料力學(xué)行為的溫度相關(guān)性
2.3 結(jié)構(gòu)連接接頭的碰撞失效預(yù)測技術(shù)
多材料混用的輕量化車身結(jié)構(gòu)不再采用點焊作為結(jié)構(gòu)連接的唯一方式，而是根據(jù)被連接材料的屬性選擇點焊、膠粘、鉚接等方式或混合連接方式，這些連接方式在碰撞載荷下的失效以及與被連接結(jié)構(gòu)和材料的交互作用機(jī)理非常復(fù)雜，缺乏相應(yīng)的仿真預(yù)測模型。在輕量化車身結(jié)構(gòu)連接接頭的研究中（圖 11），本團(tuán)隊開發(fā)沖擊韌化環(huán)氧膠粘劑的應(yīng)變率相關(guān)材料模型和失效準(zhǔn)則[45]，提出點焊接頭拉拔失效的等效模擬方法[46]，揭示焊點排布對薄壁結(jié)構(gòu)變形模式和吸能特性的影響規(guī)律[47]。在系統(tǒng)開展的焊點與膠接混合連接碰撞失效表征和預(yù)測技術(shù)研究中，本團(tuán)隊揭示點焊和膠接連接在典型載荷作用下的互補(bǔ)機(jī)制，建立焊點與膠接混合連接接頭的高效仿真模型[48-49]；在結(jié)構(gòu)層次上，證明了焊點在膠層裂紋擴(kuò)展中有效發(fā)揮了止裂作用，膠層顯著緩解結(jié)構(gòu)性能對焊點數(shù)量的依賴程度[48-49]，為膠焊連接結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計提供依據(jù)。
圖11 膠接接頭和結(jié)構(gòu)碰撞失效表征及預(yù)測
基于上述研究開發(fā)的材料和接頭在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形表征技術(shù)、斷裂預(yù)測模型及相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫[34-47][50]，本團(tuán)隊與企業(yè)合作，基于輕量化、工藝和成本等要求，開發(fā)材料選擇、連接匹配的優(yōu)化流程，建立沖擊載荷下結(jié)構(gòu)中材料和接頭失效的誘導(dǎo)和控制策略。
3 車用動力電池的碰撞失效預(yù)測與抗撞設(shè)計技術(shù)
3.1 車用動力電池碰撞擠壓工況下的變形失效機(jī)理與損傷容限
電芯受到局部擠壓導(dǎo)致短路失效是電動汽車碰撞事故中危險性比較高的典型工況，亟待研究其變形失效再載荷形式、強(qiáng)度以及荷電狀態(tài)等不同作用下的影響因素，也需要找出電芯在不同工況下不發(fā)生短路失效所能承受的最大載荷或者最大變形，即所謂的損傷容限。如圖12所示，本團(tuán)隊基于試驗觀測，分析擠壓工況下軟包電芯、方形硬殼電芯等不同類型電芯的內(nèi)部損傷積累，發(fā)現(xiàn)宏觀力學(xué)響應(yīng)特征、斷裂模式與局部損傷演化存在高度一致性[51-52]。在這些電芯的球頭擠壓試驗中，均發(fā)現(xiàn)擠壓力對擠壓位移曲線的斜率拐點對應(yīng)著內(nèi)部損傷演化的起始時刻。這個發(fā)現(xiàn)為建立有效的電池擠壓失效判據(jù)提供基礎(chǔ)，明確承受機(jī)械載荷的動力電池在發(fā)生內(nèi)短路之前允許一定變形量。以此為核心可建立電池碰撞保護(hù)策略，實現(xiàn)電池包輕量化設(shè)計。
(a) 失效形貌
(b) 內(nèi)部失效模式
(c) 電池力電熱響應(yīng)特診及其關(guān)聯(lián)性
(d) 電池剛度變化拐點特征
(e) 組分材料內(nèi)部損傷演化
(f) 活性層微觀裂紋
圖12 鋰離子動力電池單體擠壓失效
在上述剛度拐點附近取多個載荷水平，通過擠壓試驗得到對應(yīng)的多個變形電芯樣品，分別進(jìn)行拆解，并利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察電芯內(nèi)部組分材料形貌，探究電芯擠壓變形過程中的內(nèi)部損傷特征，包括電極活性涂層的顆粒壓裂和滑移、電極活性涂層從金屬集流體上的脫落、隔膜局部壓縮減薄、隔膜陶瓷涂層脫附、電極活性涂層與隔膜的局部粘連等，試驗結(jié)果表明電芯內(nèi)部發(fā)生的材料和界面不可逆損傷累積是形成最終局部斷裂和內(nèi)短路的主導(dǎo)因素，如圖12 (b)所示。
對達(dá)到擠壓峰值力的電池進(jìn)行拆解觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部組分材料斷裂位置與損傷累積顯著區(qū)域相吻合[53-54]，很好地佐證了損傷累積引發(fā)局部斷裂、進(jìn)而觸發(fā)內(nèi)短路的失效機(jī)理。在不同形式的擠壓試驗中，觀察到電芯的局部斷裂模式和位置存在差異，并且對電熱響應(yīng)影響顯著。
在不同加載速率下開展電芯擠壓變形與失效機(jī)理研究并分析其差異，試驗結(jié)果表明，動態(tài)沖擊載荷下電芯的結(jié)構(gòu)剛度增大，內(nèi)短路時刻對應(yīng)的變形量減小和載荷降低，即電池在動態(tài)載荷下變形的安全閾值更低。上述現(xiàn)象體現(xiàn)電池力學(xué)響應(yīng)特有的率相關(guān)性。通過干濕狀態(tài)電芯的對比試驗，結(jié)合解析模型與液固耦合數(shù)值模型分析，揭示電芯中的電解液在碰撞沖擊下具有顯著的動態(tài)強(qiáng)化效應(yīng)和破裂誘導(dǎo)作用，這也是動靜態(tài)擠壓加載下電芯力學(xué)響應(yīng)差異的主要原因[55]。
對不同形狀電池進(jìn)行擠壓試驗發(fā)現(xiàn)了兩種斷裂模式，雙軸拉伸引起的面內(nèi)斷裂和剪切導(dǎo)致的層間斷裂。層間斷裂影響開路電壓變化的快慢，層間斷裂越顯著，電壓下降越快。此外，斷裂模式還會影響內(nèi)短路區(qū)域和位置，進(jìn)而影響熱和溫度[56]。
在電池模組層面，本團(tuán)隊基于落錘試驗臺（圖13）建立了電池模組沖擊測試規(guī)程，開展多種構(gòu)型電池模組沖擊試驗，考察不同沖頭、不同沖擊速度和方向?qū)﹄姵啬＝M碰撞響應(yīng)的影響規(guī)律[57-58]。
(a) 模組碰撞試驗
(b) 材料力學(xué)表征
(c) 多層次模型開發(fā)
圖13 電池模組碰撞安全試驗與仿真模型開發(fā)
3.2 車用動力電池的碰撞失效預(yù)測模型
對于電動汽車碰撞安全性來說，現(xiàn)階段還缺乏合理的動力電池仿真模型輔助動力電池的安全保護(hù)設(shè)計，動力電池碰撞變形和失效的準(zhǔn)確預(yù)測，已成為相關(guān)碰撞防護(hù)設(shè)計的技術(shù)盲區(qū)。
由于內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)特點，電池的特征尺度跨越了多個量級，如果按最小特征尺度建模，一個完整的電芯模型單元數(shù)量在百萬量級以上，必然導(dǎo)致高昂的計算成本。因此在建立電芯數(shù)值模型時，在保證一定的模擬精度前提下，有必要采用合理等效，選擇合適的材料模型和單元類型，減少單元數(shù)量，以提高計算效率。
本團(tuán)隊建立基于精細(xì)化、半均質(zhì)化和均質(zhì)化模型的多級模型開發(fā)和參數(shù)傳遞策略[55][58]。對電芯主體層狀結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)特性實施了均質(zhì)化等效表征，有效模擬電芯結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的拉壓不對稱性、各向異性和應(yīng)變率相關(guān)性（圖13）；量化局部應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)與電芯內(nèi)短路的關(guān)聯(lián)性，建立基于等效應(yīng)變、考慮受力狀態(tài)影響的電芯損傷判據(jù)，用于預(yù)測多種擠壓工況的電芯失效。
3.3 車用動力電池的抗撞設(shè)計技術(shù)及電動汽車碰撞運動姿態(tài)控制策略
面向車用動力電池的碰撞保護(hù)和面向乘員的碰撞保護(hù)涉及的危險工況不完全相同，由于電池箱多布置在乘員艙的地板上，側(cè)面柱撞、托底和底部異物沖擊成為相對比較危險的工況。針對2013年美國的一起電動車底部異物碰撞引發(fā)的電池著火事故（圖14），本團(tuán)隊對該碰撞工況的邊界條件、撞擊過程中底部護(hù)板的破斷模式以及局部電池的擠壓變形進(jìn)行了再現(xiàn)分析[59]，對比分析多種底部碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)形式，提出了兼顧輕量化和底部碰撞保護(hù)性能的波紋構(gòu)型填充的三明治底部護(hù)板結(jié)構(gòu)[60]。
圖14 電動汽車底部異物碰撞分析
從彌補(bǔ)電池能量密度不足和保證續(xù)航里程的角度，小型輕量化電動車有較大的優(yōu)勢。本團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，小型輕量化電動車的碰撞響應(yīng)對電池排布方式更為敏感，電池布置很大程度上影響著整車質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量，進(jìn)而影響碰撞響應(yīng)（圖15）。針對常見電池布置方式、典型碰撞工況以及不同碰撞強(qiáng)度開展多工況碰撞仿真分析，結(jié)果表明，在正面全寬碰撞中，車輛重心越高，碰撞中俯仰運動越大，初始動能轉(zhuǎn)化為重力勢能越多；在偏置碰撞中，車輛重心越低，碰撞中俯仰運動越小，后輪與地面的接觸壓力越大，車輛偏轉(zhuǎn)運動所需的摩擦能耗越大。通過電池包布置方式調(diào)節(jié)車輛重心，可優(yōu)化控制電動車在碰撞過程中的俯仰和偏轉(zhuǎn)等運動姿態(tài)，從而為碰撞安全性能優(yōu)化引入新的控制因素[61]，基于此形成將單方向碰撞轉(zhuǎn)化為復(fù)合運動響應(yīng)的碰撞運動姿態(tài)控制策略，有利于解決小型電動汽車的電池布置空間和碰撞變形吸能位移的設(shè)計沖突。
圖15 電動汽車碰撞響應(yīng)分析
4 結(jié)語
研究汽車碰撞安全與輕量化的技術(shù)挑戰(zhàn)性課題，需要以沖擊力學(xué)為基礎(chǔ)，并與碰撞損傷生物力學(xué)、材料技術(shù)、工藝技術(shù)、數(shù)字化仿真技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等學(xué)科交叉，其難點主要源于工程實際問題的復(fù)雜性、汽車碰撞吸能位移有限、輕量化和安全裕量兩方面設(shè)計要求的沖突以及制造成本的約束等。
人員碰撞保護(hù)方面的主要難題是，真實碰撞事故工況非常復(fù)雜，能量吸收空間受限，使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)強(qiáng)非線性。本團(tuán)隊研發(fā)的夾層式汽車前艙罩蓋技術(shù)依據(jù)沖擊動力學(xué)理論，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高沖擊響應(yīng)在時間歷程上的均勻性，進(jìn)而提升空間資源的利用效率；針對碰撞工況和乘員狀態(tài)可調(diào)的自適應(yīng)乘員碰撞保護(hù)技術(shù)，給未來行車環(huán)境中多樣性乘坐環(huán)境下的智能碰撞保護(hù)和損傷控制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
輕量化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計需要應(yīng)用仿真計算來提高抗碰撞設(shè)計效率，技術(shù)瓶頸是對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的材料失效進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。本團(tuán)隊對各類車身材料的精細(xì)化力學(xué)表征研究以及所研發(fā)的沖擊力測量信號振蕩抑制技術(shù)，提高了材料和接頭在復(fù)雜應(yīng)力下的碰撞斷裂預(yù)報精度；同時，在確保一定精度的情況下通過建立等效簡化模型來降低仿真計算量，為斷裂預(yù)報在整車碰撞安全性設(shè)計中的應(yīng)用提供了實用的計算模型和參數(shù)。
電動汽車動力電池在碰撞下的短路失效機(jī)理和預(yù)測是近年來汽車碰撞安全方面的一個新的難題。由于缺乏電池破壞和熱失控的預(yù)測模型，使得電池的碰撞保護(hù)和電動車的輕量化設(shè)計更多依賴經(jīng)驗。本團(tuán)隊在國際上率先給出了動力電池的碰撞損傷容限和短路發(fā)生判據(jù)，解析了電芯在機(jī)械載荷作用下材料破壞誘發(fā)短路的機(jī)理，研發(fā)了高精度電池碰撞響應(yīng)的數(shù)值模型，提出了電池碰撞熱失控風(fēng)險可控下的電池包減重策略，應(yīng)用于車用動力電池的碰撞安全評估和抗撞設(shè)計。
本團(tuán)隊聚焦汽車輕量化與電動化碰撞安全關(guān)鍵技術(shù)難題，以真實應(yīng)用場景和汽車碰撞設(shè)計為對象，以人體和材料的損傷控制和失效預(yù)測為目標(biāo)，開展材料和損傷層面的基礎(chǔ)性研究，并依托與國內(nèi)外整車企業(yè)的合作，把基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用于實際工程設(shè)計。本團(tuán)隊的研究和應(yīng)用實踐表明，以應(yīng)用為導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究對汽車產(chǎn)品技術(shù)提升具有重要意義。
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