文章來源:北京汽車股份有限公司汽車研究院 引言 同平臺開發(fā)的電動車 , 搭載了數(shù)百千克的鋰離子電池 , 整車質(zhì)量較傳統(tǒng)燃油車增重 20%以上 ? 通常情況下 , 油改電而來的電動車 , 其前艙吸能空間并不優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車 , 改善前艙吸能空間的同時需要考慮平臺通用化
同平臺開發(fā)的電動車 , 搭載了數(shù)百千克的鋰離子電池 , 整車質(zhì)量較傳統(tǒng)燃油車增重 20%以上 ? 通常情況下 , 油改電而來的電動車 , 其前艙吸能空間并不優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車 , 改善前艙吸能空間的同時需要考慮平臺通用化 , 導致車體耐撞性的開發(fā)難度成倍增加 ? 因此 , 如何提升耐撞性及保護乘員安全成為目前階段前艙設計的主要工作 ?本文以某電動車項目為出發(fā)點 , 在平臺零件通用 ? 共線通用的基礎上 , 實現(xiàn)結(jié)構(gòu) ? 材料及尺寸的優(yōu)化提升 , 并借助CAE為手段 , 滿足碰撞安全性能目的 , 并為后續(xù)車型開發(fā)積累經(jīng)驗 ?1.1燃油車和電動車車身結(jié)構(gòu)設計在燃油車上開發(fā)電動車 , 通常的整體方案是移除燃油車動力系統(tǒng) ? 進排氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)等部件 , 替換成電動車電機電控系統(tǒng) ? 電池系統(tǒng)和充電系統(tǒng)等機艙布置 , 如圖1所示 ? 電動車電機電控等驅(qū)動部件布置在機艙內(nèi)部 , 電池系統(tǒng)布置在前后地板正下方 , 因離地間隙要求 , 整車姿態(tài)也會整體上移調(diào)整 ?造型如沒有特殊要求 , 為減少開發(fā)周期 , 上車體完全沿用燃油車 ? 電動車電機電控等驅(qū)動部件體積小于燃油車動力系統(tǒng) , 能夠保持機艙的梁架結(jié)構(gòu)沿用 , 僅是局部連接結(jié)構(gòu)新設計 ? 因較大的續(xù)駛里程和整車離地間隙等要求 , 電池的尺寸比較大 , 下車體地板面 ? 梁架結(jié)構(gòu)需要適應電池布置進行重新開發(fā) , 尤其是車身下體前部梁架結(jié)構(gòu)變化較大 , 前縱梁后部和中通道兩側(cè)縱梁截斷 , 下部梁架圍繞電池設計成框架梁 , 如圖2 ? 圖3所示 ? 下車體后部架構(gòu)不變 , 僅是局部連接結(jié)構(gòu)新設計 ?電動車下體邊梁結(jié)構(gòu)以及局部結(jié)構(gòu)都所有加強 , 但是由于前部下體梁架的變化以及整車姿態(tài)的上調(diào) , CAE碰撞分析結(jié)果并不理想 , 尤其是偏置碰撞 , A/B柱壓縮量大 , 前圍板 ? 轉(zhuǎn)向管柱 ? IP等侵入量超標嚴重 , 見圖4 ? 表1 ? 主要原因分析如下:1)打破原燃油車下車體傳力路徑 , 原燃油車下體傳遞路徑由兩條縱梁通過前圍π字梁從前圍傳遞到前地板中通道梁 ? 縱梁后段 ? 邊梁等6條路徑分配 , 尤其是縱梁從前部延至后地板 , 承擔著主要的碰撞力流傳遞 ? 而電動車下體中斷縱梁結(jié)構(gòu) , 碰撞力僅通過兩條邊梁傳遞 , 不利于載荷傳遞 , 導致受力集中 , 局部變形大 , 不利于整車性能指標達成 , 如圖2 ? 圖3所示 ?2)電動車在燃油車基礎上增加了350kg的電池 , 整車重量增加 , 動能增加 , 導致各路徑下的受力增加 , 同等結(jié)構(gòu)下變形量增加 , 表現(xiàn)在縱梁上翹嚴重 , 前圍板侵入量較大 , shotgun ? A柱及上邊梁 ? 中通道變形嚴重 ?3)因電池離地間隙要求 , 整車姿態(tài)整體上移 , 質(zhì)心相對于燃油車有偏移 , 碰撞力流分配有所差異 , 以致縱梁變形模式有所改變 ?以保證與同平臺車型共線為前提條件 , 考慮模 ? 檢 ? 夾具的最大通用化 , 以實現(xiàn)各車型切換差異化為目的 , 采用了增加新零件和差異區(qū)分關鍵零件兩個手段 , 主要從關鍵傳力路徑優(yōu)化 ? 材料提升優(yōu)化 ? 關鍵零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升三個方向進行優(yōu)化研究 ?2.1關鍵傳力路徑優(yōu)化(分散碰撞能量/減少入侵量)在維持原有架構(gòu)和傳遞路徑 , 保持各總成結(jié)構(gòu)關系不變和板面件沿用的基礎上 , 局部加強主傳力路徑中接頭處的連接 ? 主要是在前縱梁前段根部與前圍橫梁及前圍連接板接頭部位 ? 前地板中通道前后段處 ? A柱上部和空氣室連接處 ? C柱下部與門框連接處等加強連接 , 適當增加連接板或加強件 , 見表2 ?增加下部載荷傳遞路徑 , 在目前傳遞路徑基礎上考慮使用全框式副車架 , 使副車架參與正碰及偏置碰的碰撞吸能 , 形成上 ? 中 ? 下三層載荷傳遞路徑 , 更有利于分散載荷 , 控制結(jié)構(gòu)變形和管理能量分布 , 可有效地改善車體加速度波形分布 , 減少乘員艙變形 , 如圖5所示 ? 原有傳遞路徑持續(xù)進行優(yōu)化加強 , 保持各總成結(jié)構(gòu)關系不變和板面件沿用 , 加強主傳力路徑中接頭處的連接(同表2) ?2.2材料提升優(yōu)化(合理分布/物盡其用)根據(jù)仿真分析車身結(jié)構(gòu)件對碰撞性能影響的重要程度 , 進行零件材料選型提升 ? 為了不影響保持同平臺車型通用化最大化 , 選材遵循兩個原則:①共線及開發(fā)周期長的零部件保持沿用 ? ②對于厚度變化影響周邊零件變更等影響較大的零部件 , 僅提升牌號不優(yōu)化料厚 ? 按照以上條件進行影響零部件材料提升優(yōu)化 , 不影響周邊連接件更改的重要結(jié)構(gòu)件材料料厚同步優(yōu)化 , 如兩輪罩連接的C型梁零件 ? 前圍橫梁 ? A柱與前圍板連接加強板 ? 縱梁內(nèi)部加強板等零件? 影響周邊連接件更改的重要結(jié)構(gòu)件(如A柱 ? 上邊梁 ? C柱加強板等零部件)僅提升材料牌號 ? 詳細材料優(yōu)化方案見表3 ? 根據(jù)需要 , 部分零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與材料優(yōu)化同步進行 ?在更改過程中 , 本著增加料厚同時盡量少影響搭接面的原則 , 考慮安裝點及焊接順序的同時 , 最終優(yōu)化了23個零件的搭接邊 , 實現(xiàn)了最優(yōu)更改方案及組合 , 并實現(xiàn)了基礎車型可同步切換 ?2.3關鍵零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化(設計結(jié)構(gòu)優(yōu)化/增加補強結(jié)構(gòu))對仿真分析局部變形較大和突變部位的零部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 , 除了上述材料優(yōu)化的零部件同步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化外 , 主要對A柱內(nèi)部上中下連接件 ? 前邊梁 ? shotgun內(nèi)部 ? C柱上部邊梁內(nèi)部加強件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 , 增加和優(yōu)化與周邊件的連接和傳力結(jié)構(gòu) , 改善變形趨勢 , 局部加強 , 見表4 ?對上述優(yōu)化方案進行偏置碰撞仿真分析 , 結(jié)果見圖4 ? 表 5 ? 將表5與表1進行對比 , A—B柱壓縮量由76.3mm下降到15.3mm , 滿足目標 , 前圍板各部位動態(tài)侵入量也都下降到安全值以內(nèi) , 轉(zhuǎn)向管柱和IP動態(tài)侵入量都有大幅度下降 ?雖然轉(zhuǎn)向管柱方向盤跳動 - X向指標和管柱連接點指標還未滿足目標 , 考慮到超標范圍很小 , 綜合評估可接受通過 ? 可見 , 此優(yōu)化方案改善效果明顯 , 可達目標要求 ?在性能基本滿足目標后進行詳細數(shù)據(jù)設計及分析 , 詳細數(shù)據(jù)設計包括性能貢獻率分析 ? 零件減重 ? 材料牌號/料厚整合 ? 材料利用率提升 , 還有沖 ? 焊 ? 涂 ? 總工藝分析 , 以及供應商分析 ? 工藝性問題更改等 ? 經(jīng)過對上述內(nèi)容反復優(yōu)化更新及CAE分析 , 最終實現(xiàn)了減重3.25kg , 降低開發(fā)費用30余萬元 , 并形成正式更改方案 ?本文通過對某電動車車身結(jié)構(gòu)進行碰撞優(yōu)化分析 , 在保證梁架總成共線和零部件最大通用化的前提下 , 對關鍵傳力路徑中接頭部位 ? 重要影響的結(jié)構(gòu)件材料 ? 局部變形或突變的零部件結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化 ? CAE仿真分析表明 , 此優(yōu)化方案明顯改善車身碰撞性能 , 同時實現(xiàn)了性能 ? 成本及周期的最優(yōu)組合 ? 此碰撞優(yōu)化分析思路和方法 , 對于電動車車身開發(fā)工作具有借鑒作用 ?
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