喬玉杏 田立然

摘要：近年來，為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能號(hào)召，新能源汽車被廣泛應(yīng)用起來。高分子材料結(jié)構(gòu)汽車作為一種低能耗、零排放的全新制造理念逐漸成為研究熱點(diǎn)，目前塑料高分子材料僅作為零部件用于汽車制造中，因此本文提出一種全塑結(jié)構(gòu)新能源汽車，并對(duì)其防撞安全性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：工程塑料;逆向工程;三維模型;新能源汽車

引言

當(dāng)下我國(guó)持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出使得不可再生材料的使用開始減少，一些機(jī)械制造行業(yè)開展尋求新的能源替代產(chǎn)品。在汽車行業(yè)，新能源汽車?yán)砟畹奶岢鍪菍?duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的積極響應(yīng)，其中新能源汽車的全塑結(jié)構(gòu)是其結(jié)構(gòu)亮點(diǎn)，這種全塑結(jié)構(gòu)抗腐蝕、耐熱等性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，為了應(yīng)對(duì)當(dāng)下頻繁的交通事故，文章對(duì)新能源汽車全塑結(jié)構(gòu)在防撞安全性提高中的應(yīng)用進(jìn)行分析，旨在為進(jìn)一步優(yōu)化新能源汽車全塑結(jié)構(gòu)提供有力參考。

1新能源汽車三維建模

1.1建立新能源汽車逆向三維模型前處理

逆向工程（RE）是一種根據(jù)對(duì)產(chǎn)品目標(biāo)進(jìn)行分型，逆向再現(xiàn)該產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，主要應(yīng)用于在不了解產(chǎn)品生產(chǎn)及設(shè)計(jì)過程的前提下，根據(jù)成品實(shí)物推理出產(chǎn)品三維幾何模型及設(shè)計(jì)過程的硬件分析，可縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低企業(yè)開發(fā)成本及風(fēng)險(xiǎn)。下面對(duì)建立新能源汽車硬質(zhì)聚酰胺泡沫材料全塑結(jié)構(gòu)逆向三維幾何模型前處理步驟進(jìn)行說明。

1.1.1整車拆卸

根據(jù)汽車不同部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用低價(jià)值部件破壞性拆卸，重要部分零件非破壞性拆卸，盡量減小重構(gòu)模型誤差的方式進(jìn)行拆卸，拆卸完成后可得到車身、底盤、動(dòng)力系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和其他附件。

1.1.2數(shù)據(jù)采集

使用測(cè)量設(shè)備測(cè)定并收集零部件表面的三維數(shù)據(jù)，形成初步三維模型坐標(biāo)。其中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單規(guī)則的平面零部件數(shù)據(jù)采集可采用接觸式測(cè)量方式，即采用傳感器探頭直接與被測(cè)零部件接觸，測(cè)距儀等測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，完成標(biāo)準(zhǔn)件安裝孔位等數(shù)據(jù)的精確測(cè)量和收集，該過程工作量巨大，檢測(cè)精度高;復(fù)雜曲面零部件表面數(shù)據(jù)采集可采用非接觸式測(cè)量設(shè)備，即利用光線、聲波或電磁感應(yīng)等測(cè)量原理，使設(shè)備和被測(cè)零部件表面產(chǎn)生相互作用采集大量密集的三維幾何數(shù)據(jù)，該過程需提前對(duì)零部件表面進(jìn)行預(yù)處理。

1.1.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

采集到的三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)集合為一組高密度散亂點(diǎn)云，因此在進(jìn)行三維建模前，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，提高重構(gòu)精度。具體過程為：

（1）去噪和濾波處理，在傳感器采集數(shù)據(jù)過程中，易出現(xiàn)噪聲和小幅度激光毛刺干擾，使用Geomagic Studio工程軟件對(duì)采集的云點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲及濾波干擾，使圖像表面更平滑，接近于真實(shí)狀態(tài)。

（2）拼合處理，汽車車身表面為大型復(fù)雜曲面，需通過多次、多角度測(cè)量完成全部數(shù)據(jù)采集，多視拼合處理即為將不同視圖轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)形式匯總成完整信息。具體過程為首先將原始數(shù)據(jù)置于同一坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行粗拼接處理，再利用迭代優(yōu)化算法對(duì)坐標(biāo)系參數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移操作，實(shí)現(xiàn)精確拼接。

（3）精簡(jiǎn)處理，高密度散亂點(diǎn)云坐標(biāo)點(diǎn)集合中包含大量無用數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，可以減小計(jì)算機(jī)建模工作量，同時(shí)防止無用數(shù)據(jù)信息對(duì)建模過程產(chǎn)生干擾，提高三維幾何建模精度。

1.2新能源汽車三維模型重構(gòu)

本文使用Siemens PLM Software公司推出的Uni-graphicsNX（UG）建模軟件進(jìn)行逆向三維建模，首先通過數(shù)據(jù)點(diǎn)及幾何特征擬合出具有光順性和高精度的網(wǎng)格曲線，要求曲線位置與曲率值為連續(xù)變化、曲率變化和應(yīng)變能均較小、無多余拐點(diǎn);然后根據(jù)精度要求重構(gòu)出曲面圖形。

2新能源汽車的全塑結(jié)構(gòu)防撞安全有限元建模

利用LS-DYNA軟件的BT單元在非全積分算法的支持下，對(duì)相應(yīng)的薄壁單元的結(jié)構(gòu)變化實(shí)時(shí)監(jiān)督，對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化分析。實(shí)際的有限元模型當(dāng)中，汽車各個(gè)零件中的絕大部分零件都屬于薄壁結(jié)構(gòu)，選擇薄壁結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)汽車零的管理和分析，以薄壁結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元作為支持，解決實(shí)際工作中出現(xiàn)的彎曲和變形現(xiàn)象。網(wǎng)格自身的質(zhì)量和有限元建模自身的實(shí)際精度有著直接的關(guān)系，其網(wǎng)格自身的各項(xiàng)數(shù)據(jù)例如網(wǎng)格尺寸、密度等都對(duì)有限元進(jìn)度有直接影響。網(wǎng)格自身的尺寸較小、密度較大，則其實(shí)際的質(zhì)量也就有保障。多邊形結(jié)構(gòu)部件碰撞后翹曲變形大，要增加單元網(wǎng)格量。

3新能源汽車全塑結(jié)構(gòu)碰分析

以LS-DYNA系統(tǒng)化軟件當(dāng)中的BT單元作為技術(shù)支持，對(duì)相應(yīng)的新能源汽車碰撞有限元進(jìn)行建模并對(duì)模型進(jìn)行分析，將實(shí)際的建模獲取數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿yperview軟件當(dāng)中對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行切實(shí)的分析。新能源汽車自身的車身塑料結(jié)構(gòu)存在較大的變形，且變形集中在汽車前端，由車身前端嚴(yán)重的翹曲變化可以得出新能源汽車的材料還存在一定的不足。受汽車生產(chǎn)材料的影響，不同材料的彈性不同汽車撞擊后的損壞程度、危險(xiǎn)程度也不同。例如，硬質(zhì)聚酰胺泡沫具有良好的彈性模量，相應(yīng)的汽車碰撞之后，材料可以少量回彈，進(jìn)而減少碰撞過程中產(chǎn)生沖擊力，減輕車內(nèi)乘客受到的危害。此外，新能源汽車保險(xiǎn)杠距離電池較近，碰撞發(fā)生后會(huì)對(duì)電池造成不同程度的威脅，考慮到汽車電氣系統(tǒng)的安全性，保險(xiǎn)杠的潰縮變形不能過大。仿真結(jié)果顯示保險(xiǎn)杠塑性結(jié)構(gòu)潰縮變形并不明顯，因此硬質(zhì)聚酰胺泡沫材料可以應(yīng)用到新能源汽車結(jié)構(gòu)上，其本身具有足夠的強(qiáng)度，且能夠吸收大量碰撞能量。

3新能源汽車全塑結(jié)構(gòu)的防撞優(yōu)化

綜上所述，通過對(duì)新能源汽車的全塑性結(jié)構(gòu)以及主要的零件進(jìn)行建模分析，得到碰撞發(fā)生后零件的內(nèi)能變化及碰撞性能分析，并以數(shù)據(jù)和仿真結(jié)構(gòu)作為依據(jù)提出以下具體優(yōu)化方案：

3.1提高塑性結(jié)構(gòu)厚度

塑料材質(zhì)本身具有良好的彈性，在汽車發(fā)生碰撞后能夠吸收碰撞能量，但是塑料材質(zhì)不同于金屬材料，其整體強(qiáng)度較弱，優(yōu)化新能源汽車結(jié)構(gòu)可以提高汽車塑料材料的厚度或者增加吸能部件，進(jìn)而提高汽車的防撞安全性。

3.2加固保險(xiǎn)杠或改變電池位置

新能源汽車保險(xiǎn)杠近距離電池距離較近，一旦發(fā)生碰撞事故之后，很有可能威脅到的汽車的電氣系統(tǒng)，為了減小碰撞對(duì)電池結(jié)構(gòu)的威脅，可以通過在新能源汽車的保險(xiǎn)杠進(jìn)行必要的優(yōu)化改善，通過在保險(xiǎn)杠當(dāng)中加入剛性材料，從而提高新能源汽車在發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的變形量。可以對(duì)汽車的電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的調(diào)整，將電池設(shè)置在原理碰撞高發(fā)區(qū)的前部，將其安裝到保險(xiǎn)杠當(dāng)中加入剛性，從而減緩汽車碰撞過程當(dāng)中產(chǎn)生的沖擊加速;此外，還可以改變汽車的電池結(jié)構(gòu)位置，將其安裝在汽車碰撞變形影響最小的三角區(qū)域，保障汽車電氣系統(tǒng)的安全性。

4結(jié)束語

綜上所述，高分子材料結(jié)構(gòu)汽車作為一種低能耗、零排放的全新制造理念逐漸成為研究熱點(diǎn)，目前塑料高分子材料僅作為零部件用于汽車制造中，對(duì)于新能源汽車全塑結(jié)構(gòu)在防撞安全性提高中的應(yīng)用分析，要認(rèn)識(shí)到新能源汽車和傳統(tǒng)汽車的區(qū)別，當(dāng)下不可再生能源緊缺的背景將新能源汽車的使用推向高潮，只有充分的提高新能源汽車的安全性，才能夠切實(shí)的促進(jìn)新能源汽車的長(zhǎng)久發(fā)展。

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