启飞汽车

摘要

    无法满足法规要求。在不增加过多成本的前提下，采用增加B柱加强板、提升焊点质量、增加车门内部吸能泡沫、增加车门防撞梁等措施提升车门侧面安全性能。经试验验证，改进后的车辆能够满足侧面碰撞法规要求。该整改措施对提升电动汽车的侧面碰撞安全性能有一定的现实指导意义。

一、电动汽车侧面碰撞安全性
 
1.侧面碰撞仿真模型的建立
 
　　使用的模型是由某纯电动车数模得到的有限元模型，整车质量1090kg。车身上所有部件材料参数均由材料试验所得，因此，仿真模型具有较好的计算精度，可以用于进一步研究。 

2.电动汽车结构
 
　　与传统汽车相比，该电动车在前舱区域安装了双横梁支架，将电机控制器、驱动电机及减速箱总成置于传统汽车发动机及变速器等位置，以螺栓连接的方式固定在支架上方，高压电器件集中在前舱的布置方式使得侧面碰撞中有效避免了直接挤压导致的漏电情况。动力电池是电动汽车上的核心部件，与传统汽车相比，其质量大、储能高的特点是其在侧碰安全性中需要重点考虑的方面。该车动力电池采用全包围的形式将电池置于箱体结构中，并通过8个M10螺栓固定于地板下方，在碰撞过程中不应爆炸、起火，所以设计要求门槛内板的相对位移量应小于80mm，才不会导致侧面碰撞中电池包的过度挤压。 

3.考核指标
 
　　在侧面碰撞结构耐撞性分析中，左后车门前柱直接影响碰撞时乘员的损伤情况。需要关注其侵入量和侵入速度，用以考核车辆的碰撞结构安全性。以左后车门前柱上部某点峰值侵入量、侵入速度作为考核指标。 

二、汽车车身结构轻量化研究现状
 
一、国外轻量化研究现状
 
　　汽车车身结构轻量化主要集中在两个方面，一是基于改善汽车燃油经济性的轻量化；二是基于提升汽车性能及安全性能的轻量化。主要的研究方法可分为以下几方面。通过现代设计方法对结构进行优化设计，从而得到新的轻量化结构。利用硬件优势，大量考虑动态过程（如碰撞、振动）中的各种约束，对尺寸参数进行优化进而得到轻量化结构，但要强调安全性。应用现代优化算法（如遗传算法、人工神经网络算法）对结构进行轻量化设计。 

2.国内轻量化研究现状
 
　　我国的汽车车身轻量化研究比国外晚，主要从结构优化设计方向对轻量化进行研究，主要研究成果如下。在较早时期，东南大学的温文源、韩祖行采用有限元法與数学规划法对车身结构进行了性能分析及优化设计研究，探讨了车身结构的数学模型、设计变量、约束条件等理论问题。 

三、电动汽车车身轻量化设计
 
1.尺寸优化方法
 
　　尺寸优化即是在给定结构的类型、材料以及几何外形的基础上，对不同组成构件的截面尺寸予以优化，从而实现结构最轻化，比如说对节点附近已定的桁架结构得出各梁的最优截面尺寸；对几何形状确定的平面板结构求各个位置的最佳厚度等。 

2.形状优化方法
 
　　形状优化即是当结构类型、材料以及布局确定的基础上，对车身结构的几何形状予以优化，比如说在布局确定的情况下对桁架的节点位置予以优化设计；对内部开孔尺寸以及形状予以优化。形状优化法和尺寸优化法属于几类优化方法中发展最为成熟且最容易实现的，当前应用相对普遍，较多商业有限元软件内部都具备这一模块。 

3.形貌优化方法

　　形貌优化是形状优化的高级形式，采用的变量为形状变量。形貌优化的设计区域首先被划分成大量独立的变量，然后进行一系列迭代优化，并计算这些变量对结构的影响。通过指定板壳单元节点在其法向的移动量，不断调整有限元网格模型的结构形状，直至获得满足设计目标的最优移动节点区域的最佳组合，它与基于钣金面上的加强筋布置设计过程类似。形貌优化的目标函数可以是车身零件的频率、刚度、强度等，设计变量是决定优化过程中节点位移变化的向量，加强筋方向一般与冲压方向一致，还需要定义最大起筋高度、最小起筋宽度或加强筋角度等；设计变量区间选择也可以作为约束条件处理。 

4.拓扑优化方法
 
　　由于结构的尺寸优化、形状优化和形貌优化都是在结构布局已经确定的前提下进行的，优化设计能产生的效果也被局限在之前确定的设计布局之内，并不能改变结构的拓扑形式。因此，可以在结构设计的概念设计最初阶段，引入拓扑优化来达到汽车轻量化的目的。拓扑优化方法是在一个给定的空间区域内，依据已知的外载及支承等约束条件，寻找承受单载荷或多载荷物体的最佳结构材料分配方案，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等均达到规定要求的一种结构设计方法，其是有限元分析和数学优化方法的有机结合。 

四、侧碰结构件轻量化
 
1.设计目标和变量

　　为了保证侧面碰撞过程中乘员空间的设计要求，同时降低结构件质量，依据上述各构件影响响应贡献率分析结果，选取影响最为显著的9个结构件料厚作为尺寸优化的设计变量，选择了B柱最大侵入量、车门最大侵入速度、B柱最大侵入速度和门槛内板相对位移量作为安全性评价的约束条件，以9个结构件的总质量最小和车门最大侵入量最小为设计目标。 

2.轻量化设计过程及结果分析
 
　　考虑到厚度与结构耐撞性优化设计模型的复杂性，通过优化匹配车身重要结构件的材料和厚度，使得车门最大侵入量和所选构件总质量分别降低了4.11%和8.04%，同时，各项碰撞响应均优于初始值，从而在保证车身碰撞安全性的同时实现了轻量化。 

五、结束语
 
　　当前，新能源汽车技术得到了飞速发展，宝马、奔驰、丰田等世界知名汽车厂商也越来越重视这一市场，国内很多自主汽车品牌也开始制定电动汽车发展战略。创新与发展电动汽车车身轻量化技术，让其拥有更好的动力性与舒适性，是增强电动汽车市场竞争力的有效方式，也是未来汽车行业发展的重要方向，因此有必要对其进行更加深入的研究。
 
作者：吴力勇  来源：科学导报.学术
 

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