林標(biāo)華

(廈門(mén)金龍旅行車(chē)有限公司，福建省新能源汽車(chē)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門(mén) 361006)

隨著電動(dòng)汽車(chē)的推廣及普及，與安全相關(guān)的事故頻發(fā)［1－2］。純電動(dòng)城市客車(chē)電池及車(chē)身結(jié)構(gòu)的安全性為整車(chē)安全性能提供有力的保障。本文選取某款10 m純電動(dòng)城市客車(chē)，開(kāi)展其車(chē)身骨架被動(dòng)碰撞安全性研究，建立客車(chē)車(chē)身骨架有限元模型，考慮電池箱在車(chē)身上的布置情況，結(jié)合碰撞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行后碰撞仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 后碰撞標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)分析

1.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求

當(dāng)前關(guān)于電動(dòng)客車(chē)碰撞的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求主要有《電動(dòng)客車(chē)安全技術(shù)條件》［3］、GB/T 31498—2015《電動(dòng)汽車(chē)碰撞后安全要求》［4］、GB 20072—2006《乘用車(chē)后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》［5］。根據(jù)《電動(dòng)客車(chē)安全技術(shù)條件》的規(guī)定，對(duì)電動(dòng)客車(chē)的碰撞防護(hù)要求是:若有可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)未安裝在車(chē)輛頂部，則應(yīng)按照要求進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。規(guī)定要求在試驗(yàn)時(shí)，需要考慮動(dòng)力電池安裝及整車(chē)防護(hù)條件，移動(dòng)變形壁障撞擊試驗(yàn)車(chē)輛的最薄弱位置。其它兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要是規(guī)定電動(dòng)汽車(chē)正面碰撞、側(cè)面碰撞特殊安全要求和試驗(yàn)方法，以及乘用車(chē)發(fā)生后部碰撞時(shí)燃油系統(tǒng)的安全性能相關(guān)規(guī)定和試驗(yàn)方法。

1.2 后碰撞特點(diǎn)分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，汽車(chē)發(fā)生高速后碰撞時(shí)，大約有60%～70%的碰撞能量由潰縮吸能元件(主要是保險(xiǎn)杠、吸能盒及后防撞梁等變形元件)吸收，剩余的能量再通過(guò)車(chē)架的縱梁及底盤(pán)懸架等往車(chē)身前端及地面進(jìn)行衰減［6－8］。

經(jīng)過(guò)輕量化設(shè)計(jì)后的“低入口”電動(dòng)客車(chē)，其車(chē)架主要是由小方鋼全桁架拼焊而成，再將車(chē)架和車(chē)身骨架焊接為一個(gè)整體，形成一個(gè)整體式客車(chē)骨架。當(dāng)客車(chē)發(fā)生后碰撞時(shí)，后圍骨架和車(chē)架是主要的受力區(qū)域，也是主要的力傳遞路徑。側(cè)圍骨架、頂蓋骨架是次要的力傳遞路徑。碰撞力由后圍蒙皮、后圍骨架以及同車(chē)架尾端相連的后保險(xiǎn)杠、后縱梁、后橫梁依次向車(chē)身前段骨架傳遞。因此，車(chē)身后段骨架(尾部)是主要的變形吸收能量區(qū)域，中段骨架和前段骨架吸收的能量較少。

根據(jù)后碰撞力的傳遞路徑及受力情況，需要車(chē)身尾部骨架能夠有效地壓潰變形，吸收足夠的碰撞能量，以緩解向前沖的加速度，減少前沖能量。

2 原車(chē)型后碰撞分析

2.1 模型建立及驗(yàn)證

在UG軟件中建立整車(chē)骨架CAD模型，再將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HyperMesh軟件中建立整車(chē)有限元CAE仿真模型。在建模過(guò)程中，模型進(jìn)行相應(yīng)合理簡(jiǎn)化［9－10］。根據(jù)后碰撞實(shí)際要求，并結(jié)合實(shí)際整車(chē)零部件布置情況，對(duì)整車(chē)有限元模型進(jìn)行配重。根據(jù)《電動(dòng)客車(chē)安全技術(shù)條件》的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)整車(chē)處于整備質(zhì)量狀態(tài)，所以最終整車(chē)模型調(diào)整到整備質(zhì)量狀態(tài)，質(zhì)心離地高度為1 027 mm。調(diào)整后模型整備質(zhì)量與實(shí)車(chē)測(cè)量數(shù)據(jù)一致，質(zhì)心位置與試驗(yàn)部門(mén)提供的實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)一致，以驗(yàn)證模型同實(shí)車(chē)的一致性、準(zhǔn)確性。整車(chē)CAE后碰撞有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用剛性移動(dòng)壁障進(jìn)行后碰撞，移動(dòng)臺(tái)車(chē)和碰撞裝置為某公司已通過(guò)標(biāo)定的后碰撞移動(dòng)壁障模型。結(jié)合實(shí)際情況，臺(tái)車(chē)及其碰撞裝置總質(zhì)量為1 100 kg，臺(tái)車(chē)高度為806 mm，寬度設(shè)置為2 550 mm，其他尺寸也按照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施。設(shè)定臺(tái)車(chē)以50 km/h的速度，100%重疊撞到純電動(dòng)客車(chē)車(chē)尾，并借助RADIOS求解器進(jìn)行后碰撞仿真分析。

2.2 仿真結(jié)果分析

1)能量曲線。從碰撞過(guò)程中的能量－時(shí)間歷程曲線看出整個(gè)系統(tǒng)能量數(shù)值沒(méi)有發(fā)生突變，能量轉(zhuǎn)換正常;系統(tǒng)動(dòng)能減小，內(nèi)能逐漸增加，沙漏能在后碰撞過(guò)程中基本為零;沙漏能與接觸能比值小于5%。由于輪胎與地面摩擦做功、車(chē)身骨架內(nèi)部碰撞與摩擦，部分能量轉(zhuǎn)換成接觸能，總能量稍有減小，并在后期逐步趨于穩(wěn)定，總體來(lái)說(shuō)，能量變化在合理的范圍內(nèi)。

2)加速度分析。電動(dòng)客車(chē)后碰撞時(shí)，目前沒(méi)有具體的電池箱加速度限制要求，但從電池箱安全性、乘員頸部損傷等考慮，需要盡可能地降低加速度峰值。本次只查看后部上下兩層共4個(gè)電池箱加速度值，如圖2中改進(jìn)前(實(shí)線)的加速度曲線所示，該曲線經(jīng)過(guò)SAE60濾波。從圖中可以看出，電池箱最大加速度峰值達(dá)到91.33g。在同一層骨架上，以車(chē)身中心線對(duì)稱(chēng)布置的2個(gè)電池箱加速度大小基本一致。上層1號(hào)電池箱和4號(hào)電池箱在地板骨架上方，碰撞時(shí)上方區(qū)域后圍骨架先接觸到剛性壁障，發(fā)生較大變形，因此加速度峰值較大。

圖2 加速度對(duì)比情況

3)電池箱安全距離。碰撞過(guò)程中，電池箱周邊的車(chē)身骨架因碰撞產(chǎn)生的變形量影響到骨架與電池箱之間的距離，也是衡量電池箱安全性的一個(gè)方面。從后部最大變形時(shí)刻應(yīng)變率云圖中得知，變形量最大的是后圍骨架的后大燈下框梁。該梁因安裝尾燈，整車(chē)結(jié)構(gòu)限制，處于懸臂結(jié)構(gòu)，變形較大。測(cè)得3號(hào)電池箱外殼表面與尾燈下框梁最大變形時(shí)刻的最小距離為7.98 mm。由于左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，壁障也中心線對(duì)稱(chēng)布置，因此，2號(hào)和3號(hào)電池箱測(cè)得距離一致。由于該距離較小，考慮到碰撞仿真分析的誤差，在后碰撞情況下，處于下層的2號(hào)和3號(hào)電池箱存有一定的風(fēng)險(xiǎn)，需要改進(jìn)后部結(jié)構(gòu)，增加電池箱安全距離。

3 后碰撞結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

針對(duì)原車(chē)型后碰撞仿真結(jié)果，結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案為:改進(jìn)車(chē)架尾段結(jié)構(gòu)，并在車(chē)架尾部布置保險(xiǎn)杠和吸能盒。

1)在車(chē)架尾端底部增加2根縱梁，縱梁規(guī)格尺寸為50 mm×50 mm×3 mm。改進(jìn)目的是在底部將碰撞力傳遞至車(chē)身中段?？v梁布置結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

2)增加保險(xiǎn)桿骨架。在后圍玻璃鋼蒙皮內(nèi)部增加2根管狀的后保險(xiǎn)杠骨架，增大后碰撞時(shí)骨架與壁障的接觸面積。保險(xiǎn)杠骨架固定于后玻璃鋼保險(xiǎn)杠之內(nèi)，這樣可以保證整車(chē)制造后不影響車(chē)身外形尺寸。該保險(xiǎn)杠由上下2根厚度為3 mm的空心圓管組成。如圖3中保險(xiǎn)杠骨架結(jié)構(gòu)方案。

3)車(chē)架末端增加吸能盒。在客車(chē)車(chē)架尾部與保險(xiǎn)杠骨架之間布置吸能盒。該吸能盒由2 mm的薄壁板件通過(guò)折彎、焊接加工而成。布置吸能盒后可以有效地吸收后碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量，減小車(chē)身骨架的變形。如圖3中吸能盒布置情況。

圖3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

3.2 改進(jìn)效果

1)變形及安全距離。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，后碰撞小車(chē)前端最先接觸的依然是后尾燈框梁，當(dāng)變形到一定程度后，壁障接觸到保險(xiǎn)杠，保險(xiǎn)杠將碰撞力傳遞給吸能盒，吸能盒發(fā)生較明顯的塑性變形，同時(shí)把碰撞產(chǎn)生的力傳遞到車(chē)架縱梁上。測(cè)得3號(hào)電池箱外殼表面與尾燈下框梁最大變形時(shí)刻的最小距離為284 mm，電池箱與骨架的安全距離得到較明顯的改善。

2)電池箱加速度。從圖2所示的改進(jìn)后(虛線)的后部電池箱加速度曲線可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，電池箱加速度峰值達(dá)到83.79g，相比改進(jìn)前降低了7.54g，電池箱受到的沖擊加速度峰值得到改善。在尾部增加保險(xiǎn)桿之后，車(chē)身下部區(qū)域是主要的傳力區(qū)，2號(hào)和3號(hào)電池箱加速度峰值較大。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，局部結(jié)構(gòu)對(duì)整車(chē)安全性有利。

3)新增部件吸能量。一般客車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，安全性主要選取整車(chē)上關(guān)鍵部件的能量變化進(jìn)行評(píng)價(jià)［11－13］。部件的吸能情況可由碰撞過(guò)程中動(dòng)能和內(nèi)能曲線的變化進(jìn)行描述。整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)動(dòng)能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，其中各零部件通過(guò)吸能變形轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。后碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠及吸能盒等構(gòu)件吸能曲線如圖4所示，圖中僅提取新增結(jié)構(gòu)吸能情況，查看吸能量。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，后碰撞變形主要是在保險(xiǎn)桿及吸能盒等部件，其中吸能盒的布置方式?jīng)Q定了可以軸向壓潰變形，能量可以充分吸收。整個(gè)系統(tǒng)碰撞總能量為106 kJ，從碰撞變形結(jié)果可知，客車(chē)尾部區(qū)域結(jié)構(gòu)部件吸能最大，將系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，其中吸能盒的吸能貢獻(xiàn)率最大，占總能量的25.66%。

圖4 吸能曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

客車(chē)后碰撞時(shí)，車(chē)身后部零件主要依靠其彎曲變形和壓潰變形吸收碰撞產(chǎn)生的能量。本文針對(duì)某款純電動(dòng)城市客車(chē)后碰撞工況，開(kāi)展車(chē)身骨架被動(dòng)碰撞安全性研究，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，獲得較好的改善效果。