衛(wèi)董程，沈磊，盧山，張遵智

（1.南京汽車集團有限公司，南京210028；2.南京依維柯汽車有限公司，南京210028）

基于正面碰撞的某款電動客車結(jié)構(gòu)安全性分析

衛(wèi)董程1，沈磊1，盧山1，張遵智2

（1.南京汽車集團有限公司，南京210028；2.南京依維柯汽車有限公司，南京210028）

通過有限元法分析電動客車在不同速度下受到正面碰撞時，其核心零部件受到碰撞的危險及程度。基于對電動客車正面碰撞下結(jié)構(gòu)安全性考慮，在核心部件的整車布置以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面提出建議。

電動客車；正面碰撞；有限元分析

近年來，由于環(huán)境污染、能源危機等問題日益凸顯，新能源汽車，特別是電動汽車成為了國家鼓勵發(fā)展的重點。2015年，國內(nèi)純電動客車?yán)塾嫯a(chǎn)量達88 248輛，相比2014年凈增量達7.5萬輛。在電動客車產(chǎn)銷量巨大增長的背景下[1]，電動客車的安全性越來越受到人們的關(guān)注，各生產(chǎn)廠家也投入大量資源進行了研究[2-9]。我國也于2015年5月發(fā)布了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)[10]，從國家層面對電動汽車的安全性進行了規(guī)范要求，只是該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于符合GB 11551-2003[11]和GB 20071-2006[12]適用范圍規(guī)定的帶有B級電壓電路的純電動汽車、混合動力汽車，而對于電動客車的整車安全性則沒有相關(guān)規(guī)定。但作為客車生產(chǎn)企業(yè)，在電動客車開發(fā)過程中不能不考慮車輛受到撞擊后的車輛的安全性等性能。本文主要對車輛正面低速碰撞情況下，電路控制系統(tǒng)的破壞程度，以及正面高速碰撞時車輛電路控制系統(tǒng)，驅(qū)動電機、電池系統(tǒng)的安全性進行分析，為提高電動客車結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計提供參考。

1 電動客車有限元模型

當(dāng)前電動客車的開發(fā)手段，主要是基于廠家現(xiàn)有汽、柴油客車，保留現(xiàn)有白車身、內(nèi)飾附件、底盤系統(tǒng)等基本不變的情況下，取消車輛動力總成及其附件，傳動系統(tǒng)，進排氣系統(tǒng)，油箱等，取而代之的是大型電池組、驅(qū)動電機、控制模塊等。本文所分析的電動客車是基于現(xiàn)生產(chǎn)的一款M2類客車基礎(chǔ)上設(shè)計的，將控制模型、配電箱等布置在前艙位置，并使用專用框架結(jié)構(gòu)，前、后布置兩組大型電池組，中間左右對稱布置兩組電池組及驅(qū)動電機，具體的系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示。

圖1 電動客車系統(tǒng)布置示意圖

從整車成本來看，電動客車各組成部件中，大型電池組、驅(qū)動電機、控制模塊的成本占了很大比重，有些車型中可能達到50%，所以在設(shè)計理念上，要避免在車輛發(fā)生一般性低速碰撞時，大型電池組、驅(qū)動電機、控制模塊發(fā)生損壞。本文將大型電池組、驅(qū)動電機等布置在遠離前部碰撞區(qū)的地方，降低其受損概率。但控制模塊、配電設(shè)施等則布置在前艙。

根據(jù)電動客車的整車布置方案，以及原車的白車身、車架、前后懸架、輪胎等數(shù)據(jù)，建立基于LS-DYNA的整車碰撞分析模型，用于碰撞分析。整車模型質(zhì)量3 850 kg，節(jié)點數(shù)122 531 9，單元數(shù)125 289 5。詳細的電動客車整車有限元模型如圖2所示。下面將基于該模型分別進行低速和高速正面剛性墻碰撞分析，對該款電動客車的結(jié)構(gòu)安全性進行研究。

圖2 電動客車整車有限元模型

2 電動客車正面碰撞分析

2.1低速碰撞分析

使用上節(jié)建立的有限元模型，分別對車輛施加15 km/h，25 km/h，35 km/h的速度碰撞剛性墻，通過變形結(jié)果研究前艙內(nèi)的控制模塊、配電箱等受到碰撞威脅的程度，以及其可承受的碰撞極限速度。

圖3為整車模型在35 km/h時的整車碰撞能量曲線變化圖。從圖中可以看出，碰撞能量變化合理，曲線光滑，碰撞分析結(jié)果可信。

圖3 碰撞能量曲線

從仿真分析結(jié)果可以看到，車輛受正面撞擊后，會與控制器發(fā)生擠壓的部件為水箱上橫梁，冷凝器也會與安裝控制器和配電設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)發(fā)生擠壓。從三種不同速度的碰撞結(jié)果（圖4）可以看出，碰撞速度為15km/h、25 km/h時，水箱上橫梁在后移的過程中并未與控制器接觸，車輛的變形主要集中在車架第一橫梁之前；從接觸力來看也是如此，15 km/h、25 km/h時，控制器與其他部件未發(fā)生接觸；碰撞速度為35 km/h時，車體變形加劇，控制器在0.03 s左右與水箱上橫梁發(fā)生接觸，最大接觸力為12 kN，而框架結(jié)構(gòu)較好地保護了配電箱等其他部件。對于電池組的保護，15 km/h、25 km/h時，電池組均未與其他部件發(fā)生接觸；35 km/h時，安裝在前軸與車架第三橫梁之間的前部電池組在0.06 s左右前部與其他部件發(fā)生了擠壓，最大接觸力為35 kN，這個力遠小于GB/T31485-2015[13]中關(guān)于蓄電池模塊安全性試驗中規(guī)定的擠壓力，可以看出電池組受到了較好的保護。35km/h時部件接觸力曲線如圖5所示。

圖4 電動客車正面低速碰撞結(jié)果

圖535 km/h時部件接觸力曲線

2.2 高速碰撞分析

電動客車在高速碰撞時，破壞性強，特別對于主要碰撞區(qū)的前艙部位的損壞是不可修復(fù)的。為了分析高速碰撞下的結(jié)構(gòu)安全性，對仿真模型施加50 km/h的速度碰撞剛性墻。

從仿真分析結(jié)果可以看出，整個鉸鏈柱之前部位均發(fā)生了很大的變形，所以這時的主要關(guān)注點應(yīng)集中在電池組不會發(fā)生爆炸、起火等二次危害事故。而通過有限元分析的手段又無法準(zhǔn)確模擬出電池組會不會發(fā)生爆炸、起火等問題，唯一能準(zhǔn)確預(yù)測的就是電池組受到的擠壓力。從正面高速碰撞時前部電池組接觸力（圖6）和前部變形圖（圖7）來看，前部電池組在0.05 s左右前部與其他部件發(fā)生了擠壓，接觸力在0.07 s左右達到最大值116 kN，中間左右對稱布置的兩組中型電池組及驅(qū)動電機和車輛后部的大型電池組均未受到擠壓，電池系統(tǒng)在碰撞過程中受到了較好的保護。

圖6 正面高速碰撞時前部電池組接觸力

圖7 正面高速碰撞0.07 s時前部電池組部位變形圖

但是車輛前艙基本全部參與變形，布置在前艙位置的控制模塊、配電設(shè)施等損壞嚴(yán)重，這首先是受制于電池組的尺寸較大，無法將更多的部件布置在遠離前部碰撞區(qū)，其次四組電池組的重量也增加了車輛高速碰撞的總能量，加重了碰撞的嚴(yán)重程度。所以電池組的小型化、輕量化將是后續(xù)的發(fā)展方向。

3 結(jié)論

本文所研究的電動客車，在整車碰撞速度低于25 km/h時，車輛的控制系統(tǒng)，大型電池組等均未受到擠壓，35 km/h時控制器和電池組受到一定程度的擠壓，但是并不是不可修復(fù)的。在整車碰撞速度達到50 km/h時，前部電池組的擠壓力達到了116 kN，但這個力遠小于GB/T31485-2015[13]中關(guān)于蓄電池模塊安全性試驗中規(guī)定的擠壓力，可以看出電池組受到了很好的保護，

在對電動客車進行整車開發(fā)時，首先要求是將電動客車的核心部件布置在遠離碰撞區(qū)域的地方，如果受結(jié)構(gòu)限制，也需要采用額外的框架結(jié)構(gòu)對核心部件進行保護。這樣在車輛受到較低速撞擊時，電動客車的主要核心部件不會發(fā)生需要大的維修費用或者直接更換的代價，而車輛受到高速撞擊時，電池組不會發(fā)生爆炸、起火等二次危害乘客安全的事情，確保電動客車的整車安全性。

[1]國家工信部.工信數(shù)據(jù)-裝備工業(yè)-汽車[EB/OL]. [2016-05-16].http：//www.miit.gov.cn/n1146312/n1146904/n64 8362/n1648363/index.html.

[2]王松，陳婉平，紀(jì)緒北.基于美標(biāo)的純電動客車側(cè)面碰撞仿真分析[J].客車技術(shù)與研究，2015，37（4）：17-19.

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[13]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法：GB/T 31485-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：5.

修改稿日期：2016-08-15

Analysis on Structure Safety Based on Frontal Crash for a Electric Bus

Wei Dongcheng1,Shen Lei1,Lu Shan1,ZhangZunzhi2
（1.AERI,NanjingAutomobile Co.,Ltd,Nanjing210028,China;2.NAVECOLtd,Nanjing210028,China）

This paper analyzes the crashed risk and degree of the key components under different speeds frontal crash for a electric bus through finite element method.Based on the considerations for the structure safety of the electric bus under the frontal crash,the suggestions ofthe overall arrangement and structural design for the keycomponents are proposed.

electric bus;frontal crash;finite element analysis

U469.72；U461.91

A

1006-3331（2016）06-0011-03

衛(wèi)董程（1984-），男，碩士；工程師；主要從事整車碰撞安全分析、約束系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究工作。