李曉俊

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司 廣東 深圳：430080)

在傳統(tǒng)車型開發(fā)過程中，通常要經(jīng)歷一個(gè)反復(fù)“試錯(cuò)”的過程[1]，工作量大、效率低、周期長。而在項(xiàng)目前期，根據(jù)項(xiàng)目碰撞安全目標(biāo)，確定一個(gè)整車加速度目標(biāo)，再根據(jù)此目標(biāo)，進(jìn)行整車結(jié)構(gòu)及截面設(shè)計(jì)及優(yōu)化，可以大大減少工作量，提高工作效率。

目前國家正在大力發(fā)展新能源車。新能源車與傳統(tǒng)燃油車在前艙布置和整車整備質(zhì)量方面，都會有較大差別。因此，本文首先通過分析目前新能源電動(dòng)車正面碰撞特點(diǎn)，提出解決方案，并提出基本解決思路；其次，根據(jù)前艙布置空間尺寸，建立整車加速度(雙梯度)矩陣；最后，利用乘員約束系統(tǒng)仿真，得出最優(yōu)加速度，進(jìn)而提出前艙空間和車體加速度目標(biāo)要求。

1 新能源車碰撞特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路

1.1 碰撞特點(diǎn)

新能源車前艙空間如圖1所示，前艙空間由D1區(qū)、四合一支架、D2區(qū)三部分組成，其碰撞特點(diǎn)如下：

(1)新能源車型的整車整備質(zhì)量大，碰撞能量也隨之增大；

(2)D2空間吸能有限；

(3)碰撞能量吸收主要集中在D1階段；

因此，要充分利用D1空間，提高碰撞能量吸收，減輕縱梁后段能量吸收及傳遞，保護(hù)乘員艙，進(jìn)而保護(hù)乘員。

圖1 新能源車前艙空間

要通過項(xiàng)目前期整車碰撞能量管理設(shè)計(jì)[2]，碰撞力傳遞路徑的規(guī)劃，進(jìn)行能量吸收及疏導(dǎo)，避免后期的圍追堵截；同時(shí)要在項(xiàng)目前期，進(jìn)行前艙布置空間及截面優(yōu)化，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，目標(biāo)是做到有的放矢。

1.2 基本思路

針對新能源電動(dòng)車碰撞特點(diǎn)及解決方法，提出根據(jù)前艙空間，建立車體G-D矩陣，并進(jìn)行約束系統(tǒng)仿真評估，得出符合車型碰撞性能目標(biāo)定義的車體雙梯度G-D曲線，然后根據(jù)目標(biāo)曲線，結(jié)合能量和力傳遞路徑，得出關(guān)鍵截面的力學(xué)目標(biāo)，根據(jù)此目標(biāo)，進(jìn)行截面設(shè)計(jì)和優(yōu)化，形成車身初步尺寸，最終形成前艙空間及截面數(shù)據(jù)庫，詳見圖2。

圖2 設(shè)計(jì)基本思路圖

該思路不僅可以應(yīng)用于正向開發(fā)項(xiàng)目，也可以應(yīng)用于逆向開發(fā)項(xiàng)目。在項(xiàng)目概念，為正向開發(fā)；在項(xiàng)目中后期，可以用來提供設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是車型開發(fā)中非常重要的數(shù)據(jù)積累，不僅可以為車型概念階段設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)，而且為后續(xù)車型研發(fā)、積累等提供重要的參考、依據(jù)和保障。

2.1 前艙數(shù)據(jù)庫

前艙空間數(shù)據(jù)庫需要包括前艙布置空間相關(guān)參數(shù)、碰撞能量縱向和橫向管理設(shè)計(jì)、載荷路徑分配[3]三個(gè)大的方面(如圖3、圖4所示)，這三個(gè)方面對吸能盒、縱梁等主要截面設(shè)計(jì)及優(yōu)化有至關(guān)重要的作用。能量管理需要從空間做到零部件吸能比例；載荷路徑分配需要做到每條路徑在每個(gè)階段傳遞載荷比例。

圖3 前艙數(shù)據(jù)庫

圖4 載荷路徑分配示意圖

2.2 截面數(shù)據(jù)庫

首先，根據(jù)前艙布置空間、能量分配、載荷分配，確定主要截面的載荷目標(biāo)，然后，根據(jù)其目標(biāo)，進(jìn)行截面的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。截面主要以碰撞載荷為目標(biāo)，從形狀、材料、板厚、形貌四個(gè)方面進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化(如圖5所示)，并滿足輕量化約束條件，最后形成截面數(shù)據(jù)庫。

圖5 截面數(shù)據(jù)庫

3 車體加速度

現(xiàn)有車體加速度為試驗(yàn)或整車結(jié)構(gòu)仿真后，提取B柱下端加速度，適用于項(xiàng)目中后期。

本文主要介紹在項(xiàng)目概念階段，從車型前艙空間出發(fā)，利用前艙空間壓縮比、前圍板侵入量、整車能量分配、力的傳遞路徑出發(fā)，得出車體加速度-位移(G-D)矩陣，然后通過微分等，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為加速度-時(shí)間(G-T)矩陣。然后，利用相應(yīng)車型約束系統(tǒng)建模及仿真分析，得出假人傷害值矩陣；最后，結(jié)合假人傷害值，從加速度矩陣中，優(yōu)化出最優(yōu)雙梯度。

利用本文方法優(yōu)化出的最優(yōu)加速度，在概念階段，可以為項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)目標(biāo)；在項(xiàng)目中后期，可以查看實(shí)際與目標(biāo)的差距，為方案設(shè)計(jì)提供方向和目標(biāo)。

3.1 前艙布置空間

某新能源車前艙空間如圖1所示。其中，D1區(qū)為蒙皮到縱梁前端，D2區(qū)為縱梁后段(區(qū))。受四合一支架的影響，縱梁中段不變形或變形較小(等同于燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī))；縱梁后段D2區(qū)主要為彎折變形，同時(shí)還要起到防止前圍板和乘員艙過大變形的作用，因此，可變形量較小，吸能也隨之相對較少；這就決定碰撞的主要吸能區(qū)為D1區(qū)。

3.2 車體加速度矩陣

吸能盒、縱梁前段變形比例設(shè)為三種：第一種85%、第二種80%、第三種75%；縱梁后段變形比例設(shè)為兩種：第一種 20%、第二種25%；前圍板侵入量設(shè)為兩種：第一種50mm、第二種80mm，得到設(shè)計(jì)因素和水平表(如表1所示)[5]。

根據(jù)前艙G-D設(shè)計(jì)變量和水平表，并利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到車體加速度矩陣。

表1 設(shè)計(jì)變量和水平表

3.3 車體加速度的轉(zhuǎn)換及相互驗(yàn)證

3.3.1 G-D曲線轉(zhuǎn)化為G-T曲線

選取第一組第8個(gè)方案為例，首先，對加速度G-D曲線進(jìn)行插值，插值完成后，通過微分方式，將G-D曲線轉(zhuǎn)化為G-T曲線。圖6中，虛線為原始曲線，實(shí)線為插值后的曲線。圖7為通過微分方式轉(zhuǎn)化的G-T曲線。

圖6 車體G-D及插值曲線

圖7 車體G-T曲線

3.3.2 G-D曲線和G-T曲線驗(yàn)證

為了驗(yàn)證通過微分轉(zhuǎn)化后的G-T曲線的正確性，則對G-T曲線進(jìn)行積分，轉(zhuǎn)化為G-D曲線，兩者重合，證明轉(zhuǎn)化的G-T曲線正確。圖8虛線為G-T積分后的G-D曲線，實(shí)線為原始G-D曲線。

從圖8中可以看出，在碰撞開始到車體反彈階段，兩者吻合較好，證明G-T曲線的正確性。

圖8 車體G-T曲線驗(yàn)證

3.4 約束系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

3.4.1 約束系統(tǒng)模型搭建

本文運(yùn)用MADYMO軟件建立了主要包括車體、假人、安全帶、氣囊和座椅的乘員約束系統(tǒng)模型。建立的經(jīng)過驗(yàn)證的約束系統(tǒng)模型如圖9所示。

圖9 乘員約束系統(tǒng)模型

3.4.2 乘員約束系統(tǒng)仿真分析

以前文所述的車體加速度矩陣輸入，利用已建立的乘員約束系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真分析，仿真分析輸出假人的傷害值為：頭部、胸部及髖部加速度、胸部壓縮量、大腿軸向力等傷害值。

根據(jù)整車碰撞目標(biāo)及假人傷害值，評估出最優(yōu)的車體G-D曲線。乘員約束系統(tǒng)假人各部位得分如表2～表4所示[5]。

表2 100%正面碰撞約束系統(tǒng)駕駛側(cè)仿真結(jié)果評分(吸能盒、縱梁前段吸能比例85%)

表3 100%正面碰撞約束系統(tǒng)駕駛側(cè)仿真結(jié)果評分(吸能盒、縱梁前段吸能比例80%)

表4 100%正面碰撞約束系統(tǒng)駕駛側(cè)仿真結(jié)果評分(吸能盒、縱梁前段吸能比例75%)

3.4.3 車體設(shè)計(jì)目標(biāo)及車體緩沖效率

3.4.3.1 車體設(shè)計(jì)目標(biāo)確定

以第一組為例，根據(jù)假人各部位得分，并結(jié)合車體開發(fā)難度，選擇第一組第8個(gè)方案為最優(yōu)方案，如圖10所示。

圖10 最優(yōu)車體G-D曲線圖

根據(jù)該優(yōu)化方案，可以在項(xiàng)目概念階段提出設(shè)計(jì)要求，即前艙吸能空間和車體加速度G1-G2的設(shè)計(jì)要求。

3.4.3.2 車體緩沖效率[4]

以駕駛員胸部為例，通過駕駛員胸部和車體加速度分析，得到的車體緩沖效率、最大壓縮量、車身剛度、約束系統(tǒng)吸能等信息如表5、表6所示。乘員的G-S曲線和E-S曲線如圖11、圖12所示。

表5 車體能量、剛度

表6 乘員能量

圖11 乘員加速度在位移域中的曲線

圖12 乘員能量密度曲線

4 結(jié)論

本文通過分析新能源電動(dòng)車正面碰撞特點(diǎn)，提出解決方案和基本解決思路，不僅適用于概念階段(N/P前期)，也適用于項(xiàng)目中期(P后期/A/B版)，因此是一整套解決思路和實(shí)現(xiàn)方法。

根據(jù)吸能盒、縱梁前段變形比例、縱梁后段變形比例、前圍板侵入量，得到設(shè)計(jì)因素和水平表，進(jìn)而得到車體G-D矩陣，并利用約束系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析評估，結(jié)合整車碰撞目標(biāo)及開發(fā)難度，得出最優(yōu)G-D曲線。

通過最優(yōu)G-D曲線，可以在項(xiàng)目前期，提出前艙吸能空間、車體加速度G1-G2目標(biāo)要求，進(jìn)而可以得到：車體緩沖效率、車身剛度、乘員能量密度等信息，同時(shí)為前艙結(jié)構(gòu)截面力、約束系統(tǒng)零部件目標(biāo)制定和設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和方向。