新能源敞篷車車身設(shè)計(jì)優(yōu)化

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摘要：新能源軟頂敞篷車個(gè)性化十足、充滿時(shí)尚感和科技感，廣受年輕人青睞。軟頂敞篷車車身上缺少B柱和C柱結(jié)構(gòu)，整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度相對較低。針對軟頂敞篷車車身結(jié)構(gòu)對整車性能及安全性影響問題，本設(shè)計(jì)通過對某款小型新能源軟頂敞篷車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，并結(jié)合CAE分析、碰撞試驗(yàn)等驗(yàn)證，總結(jié)了敞篷車車身開發(fā)技術(shù)方法，為敞篷車開發(fā)提供設(shè)計(jì)借鑒。

關(guān)鍵詞：敞篷車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)碰撞剛度分析優(yōu)化

1引言

隨著社會(huì)發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平的提高，敞篷車的時(shí)尚化、潮流化、個(gè)性化和酷炫化滿足了人們對個(gè)性化的追求。敞篷車車型缺少B、C柱，采用自動(dòng)折疊篷蓋代替硬頂車頂，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜[1]，一體性較差。敞篷車對車輛性能和安全性要求更高[2]。目前車身結(jié)構(gòu)技術(shù)及乘員保護(hù)技術(shù)尚未成熟。李磊等[3]利用杠桿原理對敞篷車車身結(jié)構(gòu)分析，找出最優(yōu)的碰撞載荷傳遞路徑。王鉦強(qiáng)等[4]使用CATIA完成了四門敞篷車的車身設(shè)計(jì)，滿足了四門敞篷車對車身結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的難度要求，并進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證。本論文通過對兩座小型新能源座敞篷車白車身模態(tài)、剛度、強(qiáng)度、正面碰撞、側(cè)面碰撞建模分析以及整車實(shí)車驗(yàn)證，為小型新能源敞篷車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一套可靠的設(shè)計(jì)方法。

2小型新能源敞篷車車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為保護(hù)動(dòng)力電池和合理布置整車載重，小型新能源敞篷車動(dòng)力電池一般安裝于車身中部位置，而這也讓整個(gè)車身下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大變化。為確保足夠的成員空間，小型新能源汽車的前/后懸都設(shè)計(jì)得較短，在發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞力傳遞、潰縮變形和吸能性能等方面表現(xiàn)較差。且其白車身上體為“敞開式”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1，A柱與B柱上端是“斷橋式”結(jié)構(gòu)，其能量傳遞路徑是斷開的，能量無法從A柱上端向車后傳遞，需下車體結(jié)構(gòu)承擔(dān)更多的碰撞能量傳遞和吸能作用。

3小型新能源敞篷車車身設(shè)計(jì)基本要求

小型新能源汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足模態(tài)、剛度和強(qiáng)度等靜態(tài)性能以及國家汽車行業(yè)相關(guān)的動(dòng)態(tài)性能及法規(guī)要求。如GB11551-2014《汽車正面碰撞的成員保護(hù)》、GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞乘員保護(hù)》、FMVSS-208《乘員碰撞保護(hù)》、GB11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》、GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》等。

4小型新能源敞篷車靜態(tài)性能分析及優(yōu)化

4.1車身模態(tài)分析及優(yōu)化

結(jié)合小型新能源敞篷車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、整車性能指標(biāo)以及對行業(yè)敞篷車結(jié)構(gòu)對標(biāo)分析，設(shè)定了敞篷車車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)>22Hz，彎曲模態(tài)>25Hz和前艙橫擺模態(tài)>75Hz。因敞篷車上車體為“敞開式”的結(jié)構(gòu)，車身抗扭轉(zhuǎn)/彎曲加強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要在兩側(cè)門檻上，如圖2（a）所示，并在動(dòng)力電池正下方增加“X”形構(gòu)件（b），其通過螺栓與車身連接。經(jīng)CAE仿真分析，各模態(tài)指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求，如圖2（c）及表1所示。

4.2車身強(qiáng)度分析及優(yōu)化

車身強(qiáng)度即發(fā)生碰撞時(shí)車身抵抗變形的能力，車身強(qiáng)度不足時(shí)將導(dǎo)致車身發(fā)生開裂、斷裂、塑變及壓潰，使車身喪失安全使用功能而無法保乘成員安全。小型新能源敞篷車受車內(nèi)空間需求、動(dòng)力電池的布置及“敞開式”車身結(jié)構(gòu)等因素影響，為保證車身強(qiáng)度，內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用了大量的高強(qiáng)度鋼板（強(qiáng)度＞1200MPa）。如圖3所示，車身門框前/后轉(zhuǎn)角處應(yīng)力最大有138MPa（側(cè)圍外板材料>145MPa），車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3車身剛度分析及優(yōu)化

車身剛度即車身抗變形能力，與整車耐用性、安全性、舒適性、駕駛性能等息息相關(guān)。結(jié)合新能源敞篷車性能定義要求，根據(jù)其車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)定了剛度性能指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)剛度>8500N·m/deg、彎曲剛度>7500N/mm2。對標(biāo)行業(yè)敞篷車車身結(jié)構(gòu)，在動(dòng)力電池正下方增加“X”形構(gòu)件，CAE分析如表2所示，整車剛度滿足指標(biāo)要求。

5小型新能源敞篷車動(dòng)態(tài)性能分析

5.1GB11551-2014《汽車正面碰撞的成員保護(hù)》分析

小型新能源汽車整車尺寸小，為保證更大的乘員空間，犧牲了其前/后懸的長度，而前懸長度又直接決定汽車正面碰撞吸能空間，影響整車正面碰撞性能。為解決正面碰撞問題，設(shè)計(jì)了三條傳力路徑的三級傳力車身結(jié)構(gòu)，如圖4所示。路徑①縱梁作為主要傳力通道，碰撞后第一時(shí)間有效地將碰撞力傳遞至門檻邊梁。路徑②副車架上設(shè)計(jì)一個(gè)吸能橫梁結(jié)構(gòu)，通過副車架傳遞碰撞力至車身前三橫梁構(gòu)件上，形成一個(gè)“空間三角體”傳力結(jié)構(gòu)，再借助電池包兩側(cè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)梁向后傳力。路徑③車身上設(shè)計(jì)一個(gè)“金字塔”式的Shotgun合件，作為第三條傳力路徑，將碰撞力通過車門上/下縱梁向后傳遞。如圖5所示，經(jīng)50km/h正面碰撞分析，乘員艙結(jié)構(gòu)完整，滿足GB11551法規(guī)要求。

5.2GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞乘員保護(hù)》分析

敞篷車側(cè)面碰撞時(shí)，入侵車內(nèi)乘員空間的主要結(jié)構(gòu)件有車體門檻、B柱、車門和防翻滾裝置等，其碰撞力的傳遞路徑如圖6（a）所示。經(jīng)仿真分析可知，門檻與B柱處承受的力最大，此處車門入侵量也是最大的。為減小入侵量，優(yōu)化車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及零件選材，如圖6（b）所示：（1）將門檻結(jié)構(gòu)截面增大，門檻內(nèi)板采用料厚2.0mm的高強(qiáng)度熱成型鋼（1500MPa），同時(shí)加大B柱接角結(jié)構(gòu)件；（2）車門后下角內(nèi)增加一個(gè)料厚2.0mm的熱成型鋼（1500MPa）加強(qiáng)板。（3）車內(nèi)增加“人”字形傳力熱成型管梁構(gòu)件（1500MPa），管梁直徑φ25mm，料厚1.5mm。通過CAE仿真及實(shí)車碰撞驗(yàn)證可知，該設(shè)計(jì)滿足側(cè)面碰撞法規(guī)GB20071-2006要求，如圖7、表3所示。

5.3GB20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》及GB/T31498-2021《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》分析

動(dòng)力電池布置在車身前后軸之間，通過螺栓將動(dòng)力電池與車身連接。結(jié)合動(dòng)力電池安全性能要求制定了仿真評價(jià)指標(biāo)：電池包及支架最大侵入量≤5mm，蓄電池及支架最大應(yīng)變≤0.35。經(jīng)CAE仿真分析及實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示，電池包侵入量為3.5mm，蓄電池及支架最大應(yīng)變≤0.016，本設(shè)計(jì)滿足GB20072-2006、GB/T31498-2021要求。

5.4GB11552-2009《乘用車內(nèi)部凸出物》分析

作為一款小型新能源汽車，以經(jīng)濟(jì)性為核心，簡化內(nèi)飾造型及車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免內(nèi)部凸出物超出法規(guī)限值要求。為保證基本安全性能要求，利用CAE模擬碰撞仿真，降低內(nèi)部突出物高度設(shè)計(jì)，并經(jīng)試車碰撞驗(yàn)證，其結(jié)果如圖9、表4所示，滿足GB11552法規(guī)要求。5.5GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》分析敞篷車無B柱上體結(jié)構(gòu)，需在座椅后方設(shè)計(jì)一個(gè)：“虛擬B柱”為安全帶提供安裝點(diǎn)。結(jié)合敞篷機(jī)構(gòu)布置要求，在后地板上設(shè)計(jì)截面積為35000mm2矩形結(jié)構(gòu)，其與防翻裝置設(shè)計(jì)組成“龍門式”框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)CAE仿真分析，結(jié)果如圖10、表5所示，滿足GB14167法規(guī)要求。

5.6FMVSS-208《乘員碰撞保護(hù)》分析

受軟頂敞篷機(jī)構(gòu)及其強(qiáng)度影響，需增加翻滾保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由兩部分結(jié)構(gòu)組成，如圖11所示。第一部分結(jié)構(gòu)為在座椅靠背后增加一個(gè)“方梁式”防滾裝置，主體結(jié)構(gòu)截面為矩形。其主體結(jié)構(gòu)上方焊接兩根高強(qiáng)度折彎鋼管，通過焊接和螺栓連接的組合方式與車身側(cè)圍連接形成整體結(jié)構(gòu)。第二部分結(jié)構(gòu)為在左/右A柱增加高強(qiáng)度折彎鋼管結(jié)構(gòu)，折彎鋼管通至B柱處。防滾裝置上的兩根折彎鋼管上端與A柱上的折彎鋼管的上端形成“理論支撐平面”，形成翻滾保護(hù)系統(tǒng)。模擬以48.5km/h時(shí)速，側(cè)向進(jìn)行翻滾試驗(yàn)仿真，翻滾過程中，地面最大受力為55kN，假人頭部離地最小距離大于32.5mm，車身結(jié)構(gòu)入侵量均小于35mm，結(jié)果表明此翻滾保護(hù)系統(tǒng)滿足美國高速公路安全管理局（NHTSA）制定的FMVSS208測試標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖12和表6所示。

5.7其它動(dòng)態(tài)性能分析

根據(jù)敞篷車的特殊性和用戶應(yīng)用場景出發(fā)，綜合實(shí)際工況，制定了2項(xiàng)模擬頂壓分析的工程指標(biāo)：（1）頂部加載正向下裝置力，車身結(jié)構(gòu)可承受力>45kN;(2)受力45kN時(shí)車身變形位移量<85mm。通過CAE仿真分析如圖13，本軟頂敞篷車最大可承受87.1kN，滿足目標(biāo)設(shè)定;受力達(dá)45kN時(shí)，頂蓋變形量為83.Smm，滿足目標(biāo)設(shè)定。

6結(jié)語

本文著眼于小型新能源軟頂敞篷車結(jié)構(gòu)安全性不足的缺陷，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行CAE仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)安全性良好，符合GB11551-2014,GB20071-2006,GB20072-2006,GB11552-2009,GB14167-2013,FMVSS-208等國家安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具有良好安全性，為敞篷車設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙斌，董浩，黃波，等.敞篷汽車三段式折疊軟頂敞篷機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).汽車實(shí)用技術(shù)，2018，（22）：75~77.

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[4]王鉦強(qiáng)，宋書全.純電動(dòng)敞篷車的設(shè)計(jì)與開發(fā).汽車工程師，2013（3）：35~38.

作者:劉華官 覃大煜 單位:上汽通用五菱汽車股份有限公司