電動汽車的車身柱碰結構設計淺析

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摘要：國家和人民對電動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汽車的安全性能考查項，因此，有必要對電動汽車車身柱碰結構進行針對性設計?；陔妱悠囍霭踩阅埽④嚿碇鼋Y構仿真分析模型，研究增加門檻型腔結構強度和新增碰撞力傳遞路徑，來滿足側面柱碰撞的要求。對比不同變量方案的分析數(shù)據(jù)，方案實施后B柱關鍵位置測點碰撞侵入量明顯降低，車身柱碰結構安全性能得到大幅優(yōu)化提升，表明方向研究的正確性，對于以后的研發(fā)設計具有重要的指導作用。

關鍵詞：電動汽車；側面柱碰；汽車車身；結構設計

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)展帶來了嚴重的環(huán)境污染。為了保護環(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可，全球尤其是中國大力發(fā)展新能源電動汽車。隨著汽車的發(fā)展進步，國家和人民對汽車安全越來越重視，不斷提出更高的安全等級，保護乘員在碰撞事故中的生命財產(chǎn)安全。碰撞安全方面，側面碰撞事故發(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）》，對于新能源車，柱碰（Poleimpact）已被納為一個考查項，總分為16分，占比較大，因此，很有必要對電動汽車車身柱碰結構進行針對性設計。

1建立車身柱碰結構模型

1.1結構研究背景

汽車側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)生側面碰撞[2]。柱碰從2021年開始納入中國新車評價規(guī)程（China-NewCarAssessmentProgram,C-NCAP）強制項，是評價高品質電動汽車的關鍵指標之一。同時電動汽車相對傳動燃油汽車，在車身地板下方布置了電池包，發(fā)生側面柱碰撞時不僅要保護乘員安全，也要保護電池包的安全，避免碰撞后電池包泄漏、起火等危險情況發(fā)生。仿真技術是汽車工業(yè)中很重要的一環(huán)，可在項目前期考慮結構性能，完成分析優(yōu)化，達到分析指導設計的目的，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計階段，找出車身柱碰結構不足之處，尋求優(yōu)化解決方案，驗證分析方案的有效性，從而降低實車碰撞的安全風險。

1.2結構模型簡介

按照C-NCAP試驗要求，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對準車輛碰撞側外表面與通過假人頭部重心垂直平面的交叉線（碰撞基準線）；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關鍵性能輸出項

柱碰撞發(fā)生后，裝機部位受力產(chǎn)生嚴重變形，給汽車里側的乘員安全帶來巨大威脅，需要對其損傷進行考量，作為對車身結構性能的評價指標。根據(jù)柱碰試驗及相關研究表明，B柱位置正好對應假人身軀，因此，將B柱作為關鍵性能輸出項[4]，由此可在B柱上選取影響較大點的侵入量作為輸出性能項，如圖2所示假人身軀重點部位頭部、肩部、胸部、腹部和盆骨分別對應在車身結構B柱上的位置，輸出相關性能匯總如表1所示。

2車身柱碰結構優(yōu)化思路

有研究表明，側面柱碰試驗與側面碰撞試驗相比，側面柱碰撞造成了對乘員更嚴重的損傷風險，對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面柱碰結構耐撞性主要因素[5]。故可以將車身柱碰結構優(yōu)化的重心放在門檻型腔結構和地板橫梁結構上，針對新的側面柱碰要求，設計其專屬車身柱碰結構。一是在門檻腔體里面增加加強零件，參考鋁合金前防撞梁優(yōu)秀的碰撞特性，設計門檻型材加強梁填充在型腔內，大幅增強門檻梁型腔結構強度及抵抗碰撞變形的能力。二是在地板上對應柱碰位置設計超高強鋼的地板柱碰橫梁，不僅提高地板整體結構性能，而且新增一條碰撞力傳遞路徑，快速引導碰撞側的力傳遞到非碰撞側，從而減少車內碰撞的侵入，增大安全空間。由此本文電動汽車車身梁柱碰結構研究方向是在傳統(tǒng)車身結構上增加門檻型材加強梁和地板柱碰橫梁，車身柱碰主要梁系結構如圖3所示。

3車身柱碰結構優(yōu)化分析

3.1車身結構優(yōu)化方案

根據(jù)結構研究優(yōu)化方向，提出四個結構設計方案模型，如表2所示。為驗證結構研究方向準確性，優(yōu)化方案變量設定采用單一變化方式，每個方案間互相形成對比，車身柱碰結構方案在傳統(tǒng)車身結構上驗證分別增加門檻型材加強梁和增加地板柱碰橫梁，以及兩者都增加的時候側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構優(yōu)化方案在基礎結構BAS上的效果，不同的車身柱碰結構在側面柱碰模仿真擬分析時，各自輸出對應柱碰撞過程中相關B柱位置測點的侵入量數(shù)值，統(tǒng)計分析結果如表3所示。對比結果數(shù)據(jù)可以看出，在BAS上增加門檻型材加強梁的CAS1和增加地板柱碰橫梁CAS2均十分有效，對應B柱關鍵測點位置的碰撞侵入量明顯大幅降低，對比優(yōu)化前最大減少了74.65mm；方案CAS3門檻型材加強梁和地板柱碰橫均增加，對比BAS方案B柱測點侵入量最大減少了89.81mm，降幅達到66%。由此可得，增加門檻型材加強梁能提升了門檻型腔結構強度，增加地板柱碰橫梁新增了側面柱碰撞力傳遞路徑，車身側面柱碰結構優(yōu)化效果極佳，實現(xiàn)了車身柱碰結構優(yōu)化提升的目的，滿足側面柱碰的性能要求。

4試驗驗證

某型電動汽車車身柱碰結構設計采用CAS3方案，增加了門檻型材加強梁和地板柱碰橫梁。實車生產(chǎn)制造出來后，按照對應側面柱碰國標要求進行實車的碰撞試驗，測試前排假人頭部、胸部、腹部和骨盆的損傷情況，根據(jù)標準評價B柱位置的每個關鍵測點位置的得分，均十分優(yōu)秀，很好地保護了乘員的安全。

5結論

本文針對電動汽車特有的柱碰安全性能要求，研究車身結構優(yōu)化設計?？梢詮哪M分析和實車驗證中確定，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；同時門檻增加鋁合金型材加強梁，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B柱的侵入，從而保護乘員和電池包安全，對于后期車身柱碰結構設計具有重要的指導作用。在以后的側面柱碰撞車身結構研發(fā)設計中，建議如下：（1）門檻型腔結構。門檻具有吸能抵抗變形的作用，設計時型腔內填充高效吸能的鋁合金型材，增強腔體結構性能。（2）地板橫梁結構。橫梁具有吸收傳遞碰撞力作用，設計柱碰正對位置的橫梁，快速地將碰撞力傳遞到非碰撞側。

作者:王勇 王翼 唐東升 單位:威馬汽車科技集團有限公司