廣告
非承載式電動汽車全塑車身碰撞吸能分析
2018-02-27 13:25:34·
0 引言目前，汽車產(chǎn)業(yè)為順應(yīng)節(jié)能減排、綠色低碳的時代需求，正逐步推廣電動汽車市場，我國已經(jīng)有26個新能源汽車補貼試點城市，大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)已成為我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。其中，汽車輕量化對節(jié)能減排意義重大，對企業(yè)和消費者的經(jīng)濟效益顯著。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，電動汽車的整備質(zhì)量降低lO%，續(xù)航里程增加約5.5
0 引言
目前，汽車產(chǎn)業(yè)為順應(yīng)“節(jié)能減排、綠色低碳”的時代需求，正逐步推廣電動汽車市場，我國已經(jīng)有26個新能源汽車補貼試點城市，大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)已成為我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。其中，汽車輕量化對節(jié)能減排意義重大，對企業(yè)和消費者的經(jīng)濟效益顯著。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，電動汽車的整備質(zhì)量降低lO%，續(xù)航里程增加約5.5%本文研究的新能源汽車最大的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是采用全塑料車身，相較傳統(tǒng)汽車整備質(zhì)量減輕7%,，實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。
為了研究該非承載式全塑車身結(jié)構(gòu)被動安全性能，本文應(yīng)用LS-DYNA軟件進行正面碰撞數(shù)值模擬，對碰撞過程中車身各部件吸能性能進行分析，根據(jù)分析結(jié)果，對車身優(yōu)化設(shè)計提出幾點方案。
1 新能源汽車車身結(jié)構(gòu)簡介
本文研究的新能源汽車采用的是非承載式車身骨架結(jié)構(gòu)，白車身由工程塑料通過滾塑工藝一次成型加工制造而成。汽車零配件集成在骨架上，骨架設(shè)計初期應(yīng)用拓撲優(yōu)化方法，對空間梁骨架結(jié)構(gòu)進行合理的布置，滿足功能性的同時也能保障電池組等零配件的安全。車身結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示。
2 正面碰撞動力學(xué)仿真
傳統(tǒng)汽車在正碰的過程中，主要是前縱梁的潰縮變形來吸收大部分碰撞能量，當碰撞結(jié)束以后，汽車前保險杠部分嚴重潰縮變形。但是，由于電動汽車的動力源（若干塊電池）主要分布在引擎蓋之下和后車架上，如圖2所示，如果電動汽車仍然采用傳統(tǒng)汽車的吸能結(jié)構(gòu)，必定會破壞到前電池組。因此，電動汽車的前縱梁需要有一定的剛性，保證在正碰的過程中變形位移小，不會擠壓損壞到前電池組。所以，通過正面碰撞仿真分析得出非承載式全塑車身結(jié)構(gòu)的能量吸收特性，對分析該結(jié)構(gòu)被動安全性及后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有非常重要的意義。
2.1 車身材料模型的確定
傳統(tǒng)汽車中大部分的材料均采用的是金屬結(jié)構(gòu)，金屬材料模型相對成熟，但是本文研究的車身材料為線性低密度聚乙烯（LLDPE），目前對塑料材料本構(gòu)關(guān)系的研究較少，因此能夠準確模擬出本模型中LLDPE的本構(gòu)關(guān)系是影響結(jié)果精度的關(guān)鍵因素。首先使用萬能拉伸試驗機測試出該塑料的基本參數(shù)及應(yīng)力一應(yīng)變曲線，結(jié)合考慮整車模型計算量，選取MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型模擬該塑料材料的本構(gòu)關(guān)系。
2.2 車身正碰有限元模型的建立
2.2.1 幾何模型處理
本文幾何模型中，采用的是B-T（Belytschko-Tsay）殼單元模擬塑料車身及骨架等零件，B-T殼單元屬于單點積分的減縮積分，算法上適合模擬大位移和大變形的非線性問題，且計算速度明顯優(yōu)于Hughes-Liu等單元類型。本文研究的模型大，采用B-T殼單元可以節(jié)省大量計算時間。
2.2.2 車身連接
本模型研究的連接方式主要分兩大類：一是金屬骨架空間梁之間的連接；二是金屬骨架與塑料白車身之間的連接。
（1）金屬連接方式模擬。
金屬骨架空間梁的連接方式主要是焊接技術(shù)，加工簡單，且方便維修和更替結(jié)構(gòu)。對于汽車碰撞仿真來說，點焊不僅起到連接車身零件的作用，它的失效行為影響著車身各部件的動力學(xué)關(guān)系，因而建立簡單而有效的點焊連接有限元模型極為重要。本模擬選用LS-DYNA軟件中通過關(guān)鍵字術(shù)section beam中的elform=9（spotweld）來定義彈一塑性梁單元模型，可以有效模擬焊點材料的失效形式。
（2）金屬與塑料連接方式模擬。
為了有效傳遞金屬骨架和塑料車身之間的力和轉(zhuǎn)矩，保證連接效果的可靠性，在設(shè)計塑料車身時，在塑料車身內(nèi)部預(yù)埋金屬嵌件，再通過螺栓（bolt）連接。在LS-DYNA中采用rigidbody連接模型能夠保證在碰撞過程中連接節(jié)點之間力和轉(zhuǎn)矩的傳遞，金屬嵌件安裝方式及有限元模型如圖3所示。
2.2.3 有限元模型建立
本項目研究的新能源汽車市場定位是低速代步車，正常行駛條件下最高時速不超過60km/h，所以選取的碰撞剛性墻的初速度設(shè)為30km/h，圖4為建立的完整車身正面碰撞有限元模型。
3 碰撞結(jié)果分析
3.1 仿真計算可信性分析
有限元模型建立完成以后，將其在LS-DYNA軟件中進行求解，計算雖然順利完成，但是并不能保證計算結(jié)果完全準確可靠，還需要對計算的結(jié)果進行可信性分析，可以從兩方面檢查結(jié)果是值得分析的：（1）最終質(zhì)量增加（added mass）和能量變化率（energy ratio）均不超過5%；（2）系統(tǒng)能量變化曲線光滑過渡，無較大沙漏現(xiàn)象發(fā)生。如圖5所示，本模型質(zhì)量增加為1.5%，能量變化率為l%，動能和內(nèi)能在碰撞過程中相互轉(zhuǎn)化，能量曲線光滑過渡，沙漏能控制的很好，所以此次仿真實驗是比較成功的。綜上所述，以下對模型的吸能特性分析是可信的。
3.2 非承載式車身塑料車身吸能特性分析
圖6所示的是不同碰撞時間（Time）的位移云圖。從圖6中可以看到塑料車殼的前端部分發(fā)生嚴重的翹曲變形，起到了吸收沖擊能量的作用，并且當碰撞結(jié)束以后，塑料白車身前端彈性變形區(qū)域發(fā)生回彈。為了研究塑料車身非承載式結(jié)構(gòu)在規(guī)定速度碰撞時的能量吸收特性，下面主要是從能量變化曲線來分析該問題，圖7中所示的是車身主要零部件沖擊動能和內(nèi)能隨時間變化的情況。
圖7曲線變化趨勢顯示了在碰撞過程中動能和內(nèi)能的去向，其中materiall是指塑料車身外殼，materia12是指塑料車身地板，其他的材料指車身金屬零部件，車身剩下零件對吸能影響很小故忽略不計。圖7表明沖擊能力中動能主要是由塑料車身部分吸收，將動能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，其他骨架金屬梁吸收的能量較少。結(jié)合圖6位移云圖也可以看出金屬骨架部分變形量較小，對整車身的吸能作用較少。這樣的結(jié)構(gòu)可以防止骨架大位移的潰縮變形擠壓電池組，有效保護安裝在骨架上面的動力系統(tǒng)。
3.3 擬定優(yōu)化方案
根據(jù)吸能特性分析結(jié)果可以為該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出幾點有效的方案：
4 結(jié)論
根據(jù)非承載式電動汽車車身的正面碰撞吸能特性分析可知，電動汽車的吸能結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)汽車不同，大部分的沖擊動能由塑料車殼吸收，金屬骨架的變形量小，可以有效保證安裝在骨架上面動力系統(tǒng)的安全。
目前，汽車產(chǎn)業(yè)為順應(yīng)“節(jié)能減排、綠色低碳”的時代需求，正逐步推廣電動汽車市場，我國已經(jīng)有26個新能源汽車補貼試點城市，大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)已成為我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。其中，汽車輕量化對節(jié)能減排意義重大，對企業(yè)和消費者的經(jīng)濟效益顯著。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，電動汽車的整備質(zhì)量降低lO%，續(xù)航里程增加約5.5%本文研究的新能源汽車最大的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是采用全塑料車身，相較傳統(tǒng)汽車整備質(zhì)量減輕7%,，實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。
由于國內(nèi)新能源汽車的運用還處于起步階段，技術(shù)相對傳統(tǒng)汽車不成熟。雖然傳統(tǒng)汽車的碰撞仿真研究成果對電動汽車的碰撞仿真研究有一定的借鑒意義，但電動汽車的碰撞安全性有自身的獨特之處。由于電動汽車的動力來源于若干電池塊組成的電池組，因此電動汽車的碰撞安全性除了要考慮碰撞后汽車變形造成的安全生存空間問題，還要考慮電池組的安全，包括電池組的變形和位置變化（如是否侵入乘客艙，是否會擺脫電池艙的束縛飛出）、電解液的泄漏以及是否會發(fā)生爆炸等。由此可見，電動汽車的碰撞安全性相對傳統(tǒng)汽車而言有了更高的要求。綜上所述，電動汽車的碰撞仿真研究有著較大的現(xiàn)實意義。
為了研究該非承載式全塑車身結(jié)構(gòu)被動安全性能，本文應(yīng)用LS-DYNA軟件進行正面碰撞數(shù)值模擬，對碰撞過程中車身各部件吸能性能進行分析，根據(jù)分析結(jié)果，對車身優(yōu)化設(shè)計提出幾點方案。
1 新能源汽車車身結(jié)構(gòu)簡介
本文研究的新能源汽車采用的是非承載式車身骨架結(jié)構(gòu)，白車身由工程塑料通過滾塑工藝一次成型加工制造而成。汽車零配件集成在骨架上，骨架設(shè)計初期應(yīng)用拓撲優(yōu)化方法，對空間梁骨架結(jié)構(gòu)進行合理的布置，滿足功能性的同時也能保障電池組等零配件的安全。車身結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示。
2 正面碰撞動力學(xué)仿真
傳統(tǒng)汽車在正碰的過程中，主要是前縱梁的潰縮變形來吸收大部分碰撞能量，當碰撞結(jié)束以后，汽車前保險杠部分嚴重潰縮變形。但是，由于電動汽車的動力源（若干塊電池）主要分布在引擎蓋之下和后車架上，如圖2所示，如果電動汽車仍然采用傳統(tǒng)汽車的吸能結(jié)構(gòu)，必定會破壞到前電池組。因此，電動汽車的前縱梁需要有一定的剛性，保證在正碰的過程中變形位移小，不會擠壓損壞到前電池組。所以，通過正面碰撞仿真分析得出非承載式全塑車身結(jié)構(gòu)的能量吸收特性，對分析該結(jié)構(gòu)被動安全性及后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有非常重要的意義。
圖1 新能源汽車車身結(jié)構(gòu)
圖2 電動汽車電池組布置
2.1 車身材料模型的確定
傳統(tǒng)汽車中大部分的材料均采用的是金屬結(jié)構(gòu)，金屬材料模型相對成熟，但是本文研究的車身材料為線性低密度聚乙烯（LLDPE），目前對塑料材料本構(gòu)關(guān)系的研究較少，因此能夠準確模擬出本模型中LLDPE的本構(gòu)關(guān)系是影響結(jié)果精度的關(guān)鍵因素。首先使用萬能拉伸試驗機測試出該塑料的基本參數(shù)及應(yīng)力一應(yīng)變曲線，結(jié)合考慮整車模型計算量，選取MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型模擬該塑料材料的本構(gòu)關(guān)系。
2.2 車身正碰有限元模型的建立
2.2.1 幾何模型處理
本文幾何模型中，采用的是B-T（Belytschko-Tsay）殼單元模擬塑料車身及骨架等零件，B-T殼單元屬于單點積分的減縮積分，算法上適合模擬大位移和大變形的非線性問題，且計算速度明顯優(yōu)于Hughes-Liu等單元類型。本文研究的模型大，采用B-T殼單元可以節(jié)省大量計算時間。
2.2.2 車身連接
本模型研究的連接方式主要分兩大類：一是金屬骨架空間梁之間的連接；二是金屬骨架與塑料白車身之間的連接。
（1）金屬連接方式模擬。
金屬骨架空間梁的連接方式主要是焊接技術(shù)，加工簡單，且方便維修和更替結(jié)構(gòu)。對于汽車碰撞仿真來說，點焊不僅起到連接車身零件的作用，它的失效行為影響著車身各部件的動力學(xué)關(guān)系，因而建立簡單而有效的點焊連接有限元模型極為重要。本模擬選用LS-DYNA軟件中通過關(guān)鍵字術(shù)section beam中的elform=9（spotweld）來定義彈一塑性梁單元模型，可以有效模擬焊點材料的失效形式。
（2）金屬與塑料連接方式模擬。
為了有效傳遞金屬骨架和塑料車身之間的力和轉(zhuǎn)矩，保證連接效果的可靠性，在設(shè)計塑料車身時，在塑料車身內(nèi)部預(yù)埋金屬嵌件，再通過螺栓（bolt）連接。在LS-DYNA中采用rigidbody連接模型能夠保證在碰撞過程中連接節(jié)點之間力和轉(zhuǎn)矩的傳遞，金屬嵌件安裝方式及有限元模型如圖3所示。
圖3 金屬與塑料連接方式
2.2.3 有限元模型建立
本項目研究的新能源汽車市場定位是低速代步車，正常行駛條件下最高時速不超過60km/h，所以選取的碰撞剛性墻的初速度設(shè)為30km/h，圖4為建立的完整車身正面碰撞有限元模型。
圖4 正碰有限元模
3 碰撞結(jié)果分析
3.1 仿真計算可信性分析
有限元模型建立完成以后，將其在LS-DYNA軟件中進行求解，計算雖然順利完成，但是并不能保證計算結(jié)果完全準確可靠，還需要對計算的結(jié)果進行可信性分析，可以從兩方面檢查結(jié)果是值得分析的：（1）最終質(zhì)量增加（added mass）和能量變化率（energy ratio）均不超過5%；（2）系統(tǒng)能量變化曲線光滑過渡，無較大沙漏現(xiàn)象發(fā)生。如圖5所示，本模型質(zhì)量增加為1.5%，能量變化率為l%，動能和內(nèi)能在碰撞過程中相互轉(zhuǎn)化，能量曲線光滑過渡，沙漏能控制的很好，所以此次仿真實驗是比較成功的。綜上所述，以下對模型的吸能特性分析是可信的。
圖5 仿真計算可信性分析
3.2 非承載式車身塑料車身吸能特性分析
圖6所示的是不同碰撞時間（Time）的位移云圖。從圖6中可以看到塑料車殼的前端部分發(fā)生嚴重的翹曲變形，起到了吸收沖擊能量的作用，并且當碰撞結(jié)束以后，塑料白車身前端彈性變形區(qū)域發(fā)生回彈。為了研究塑料車身非承載式結(jié)構(gòu)在規(guī)定速度碰撞時的能量吸收特性，下面主要是從能量變化曲線來分析該問題，圖7中所示的是車身主要零部件沖擊動能和內(nèi)能隨時間變化的情況。
圖6 不同時刻車身位移云圖
圖7曲線變化趨勢顯示了在碰撞過程中動能和內(nèi)能的去向，其中materiall是指塑料車身外殼，materia12是指塑料車身地板，其他的材料指車身金屬零部件，車身剩下零件對吸能影響很小故忽略不計。圖7表明沖擊能力中動能主要是由塑料車身部分吸收，將動能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，其他骨架金屬梁吸收的能量較少。結(jié)合圖6位移云圖也可以看出金屬骨架部分變形量較小，對整車身的吸能作用較少。這樣的結(jié)構(gòu)可以防止骨架大位移的潰縮變形擠壓電池組，有效保護安裝在骨架上面的動力系統(tǒng)。
圖7 車身主要部件能量變化曲線
3.3 擬定優(yōu)化方案
根據(jù)吸能特性分析結(jié)果可以為該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出幾點有效的方案：
（1）提高電動汽車塑料車身部分的能量吸收能力，如增加塑料車殼的厚度；
（2）在電動汽車車身上增加吸能部件，如在塑料車殼中空部分添加緩沖吸能材料。
（3）為了減少金屬骨架因吸能引起的變形，可以在金屬骨架部分增加附加的吸能梁。
4 結(jié)論
根據(jù)非承載式電動汽車車身的正面碰撞吸能特性分析可知，電動汽車的吸能結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)汽車不同，大部分的沖擊動能由塑料車殼吸收，金屬骨架的變形量小，可以有效保證安裝在骨架上面動力系統(tǒng)的安全。
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗方法”將有國家標準
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國法規(guī)R59對機動車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國法規(guī)R58對后下部防護裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國法規(guī)R57對摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
