基于侧面碰撞安全性的电动汽车车身结构件轻量化设计

 摘要：为实现某纯电动汽车车身结构件的轻量化设计，在保证其电池包挤压及连接安全的前提下，通过安装电池包前、后侧面碰撞过程传力特点及结构件变形模式的对比，选出对性能影响较大的结构件，采用灵敏度及主效应分析法确定了所选结构件的材料。选取精度较高的近似模型，采用多目标遗传算法进行优化，以厚度为设计变量、车门最大侵入量和质量为优化目标、门槛侵入量等为约束条件，获得了最优轻量化方案。

关键词：电动汽车 车身 碰撞安全性 轻量化 多目标优化

1. 前言

电动汽车已成为解决环境和能源问题的研究重点，同时，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效的措施之一。因此，对电动汽车进行轻量化的同时，除考虑碰撞结构变形所引起的乘员伤害外，还需要考虑动力电池在碰撞中受到挤压时起火爆炸、安装点失效等危害。

针对以上问题，本文通过仿真得到某车型的侧面碰撞结果，分别从碰撞过程中的传力路径、结构件变形模式、电池包安装点安全性考虑，对比分析了安装电池前、后的碰撞情况。将影响碰撞安全性的结构件作为设计变量，应用多目标优化方法进行轻量化设计，在保证侧面碰撞安全性的同时，实现车身轻量化。

2. 电动汽车侧面碰撞安全性

2.1 侧面碰撞仿真模型的建立

本文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1 090 kg。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。

根 据 C-NCAP 的 试 验 设 计 ，侧 面 移 动 壁 障 以50 km/h 的速度由壁障中心线对准前排座椅R点进行冲击，如图1所示。



2.2 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，如图2所示，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，如图3所示，电池包外壳与门槛内板间的距离为86.2 mm，GB/T 31498—2015要求任何车载可充电储能系统(On-Board Rechargeable Energy Storage System，REESS)部分不应进入乘员舱，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80 mm，才不会导致侧面碰撞中电池包的过度挤压。



其次应考虑碰撞后乘员的生存空间。图4所示为乘员与车门的初始位置，由图4可知，ES-2假人胸部与车门内饰的初始距离为174.4 mm，侧碰过程中B柱及车门都可能挤压乘员胸部，考虑碰撞后的空间余量及误差，车门及B柱的最大侵入量应小于150 mm。



国外大量试验结果显示，人体胸部的伤害与车门腰线(乘员胸部高度位置)侵入速度成正比，对于没有安装侧面安全气囊的车辆，得到肋骨平均变形量与车门或B柱的侵入速度之间的经验回归方程：



式中， D rib 为肋骨平均变形量;v为车门或B柱的侵入速度。

由此确定车门及B柱的侵入速度应小于10 m/s。

2.3 结构件变形模式及传力路径分析

在侧碰接触范围中对主要的结构件进行分析，明确侧碰过程中的主要传力路径及相应的主要变形区域。侧面主要传力结构主要为顶端支撑件、门槛、A柱、B柱、地板横梁等，主要传力路径如图5所示。



电池包布置在地板下方，碰撞时电池支架也会传力，使得下车体结构和强度设计与传统车不一致。B柱最大变形量示意如图6所示，由图6可以看出，安装电池包后与无电池包时相比，B柱下部变形减小，但上部变形增大。B柱下部和车顶横梁截面力如图7所示，增加电池包后，B柱下部传力增大，而车顶横梁传力减小，表明安装电池包后车体下部刚度增大，而上部刚度相对降低，可能导致B柱中上部侵入量过大，增加乘员头、胸部伤害风险。




2.4 电池包安装点碰撞安全性

从碰撞结果中提取安装电池包的碰撞侧4个连接螺栓所受拉力和剪切力，如图8所示。各M10螺栓均为8.8级，许用拉应力为800 MPa，许用剪应力为480 MPa。




经校核计算，连接螺栓的最大拉应力为97.2 MPa，最大剪切应力为96.4 MPa，远小于许用值。电池包连接支架的应变为0.004，小于铸铝材料的断裂应变，所以电池包连接不存在失效风险。

3. 侧碰结构件材料协调匹配

采用正交试验法建立多项式响应面计算材料变量和输出响应的关系，分析相关结构件的主效应情况，并通过帕拉托(Pareto)图判断各变量对响应影响的贡献率，即灵敏度分析 ，为材料选取建立可参考的依据。

3.1 试验因素水平选取

考虑到车身材料种类较多，如果直接将材料的具体参数作为设计变量，不但会引入过多的设计变量，而且这些变量之间的关联关系可能导致优化得到的材料类型不存在，所以按照材料强度直接选取材料类型作为设计变量，而不利用材料参数。所选材料的相关参数见表1。



根据屈服强度将材料分为3个层次，并依次递增，首先按屈服强度由低到高选取其中3种材料作为每个设计变量的 3 个水平，分别是 DC03、B250P1、B340/ 590DP，其余材料为备选，如表2所示。通过传力路径分析筛选出13个相关结构件作为材料匹配的对象，每个变量取3个水平构建L 27 (3 13 )正交表。



3.2 试验结果及分析

根据 13 个变量各 3 个水平的正交试验设计，在LS-DYNA软件中对样本点进行仿真计算。由结果看出，门槛内板相对位移量均小于目标值80 mm，在侧碰中对电池包影响较小，故只将车门最大侵入量y 1 、B柱最大侵入量y 2 、车门最大侵入速度y 3 及B柱最大侵入速度y 4 作为评价指标。对侧碰过程中主要结构件进行灵敏度和主效应分析，在各层备选材料中根据其与主效应的关系确定最终的材料。

最终确定13因素3水平试验表，如表3所示。



将各样本点的输入和输出值导入Isight软件中进行实验设计，建立标准2阶最小二乘多项式响应面，通过拟合的多项式的系数来计算输入值与输出值之间的关系，即主效应分析。同时，对多项式的系数进行正则化处理可以得到Pareto贡献率图，使用百分比的方式直观地表示因子对响应的贡献大小，如图9所示。



各构件对不同响应的主效应分析如图10所示。主效应的数值越大，表明因子对响应的影响越大;正的主效应意味着随着因子的增大，响应也会变大，负的主效应意味着随着因子的增大，响应会变小。结合Pareto图分析可知，总体来说对各试验指标影响较大的是结构件A~结构件I。编号为A的车门防撞杆材料对车门侵入量影响最为显著并呈负的主效应，意味着随着材料强度的增大，车门最大侵入量将减小，虽然车门防撞杆材料强度的增大对B柱侵入量和侵入速度有正的主效应，但贡献率很低，所以使用超高强度钢如BR1500HS符合主效应分析。编号为B的A柱下外板材料强度增大对应车门最大侵入量减小，但同时车门侵入速度和B柱侵入速度会相应增加，参考其材料强度对车门侵入速度和B柱侵入速度贡献率后，选定A柱下外板材料为B280VK。




基于以上分析，仅增加车身结构件的材料强度是不可行的，因此，综合考虑结构件不同材料在各指标中的影响关系，尽可能使用高强度钢来达到轻量化和强度要求，可以基本选定匹配材料。根据贡献度分析结果，车门防撞杆、A柱下外板、A柱下内板、门槛外板、门槛内板、B柱外板、B柱内板、门槛加强件1、门槛加强件2对侧面碰撞安全响应影响最为显著，因此，选择这9个结构件作为轻量化的设计对象。优化匹配后的各结构件材料如表4所示。

4. 侧碰结构件轻量化

4.1 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。侧面碰撞中结构件轻量化问题的数学模型可定义为：



式中，M为构件总质量;disD为车门最大侵入量;disB为B柱最大侵入量;vD为车门最大侵入速度;vB为B柱最大侵入速度;Δs为门槛内板位移量;ti为各构件厚度。



4.2 构件侧面碰撞近似模型

为了提高优化效率、减少整车有限元模型计算次数，采用近似模型对设计目标进行寻优。常用的近似模型有响应面(Response Surface Method，RSM)模型、克 里 格(Kriging)近 似 模 型 和 径 向 基(Radial BasisFunction，RBF)模型 。本文采用均匀拉丁方试验设计的方法对设计空间进行了110次采样，并得到其样本点的计算结果，分别构建了以上 3 种近似模型，并随机选出20个样本点，通过对其平均相对误差、最大相对误差和决定系数R 2 来比较各模型的精度。误差分析如表 5 所示，由表 5 可知，RSM 模型和 RBF 模型的平均相对误差和最大相对误差均高于 Kriging 模型，且两个响应中 Kriging 模型的决定系数 R 2 均大于0.9，表明 Kriging 模型对于碰撞等非线性问题有较好的拟合精度，满足工程预测的要求，所以对车门最大侵入量和构件总质量建立 Kriging 模型，并进行之后的多目标优化。



4.3 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，采用非支配解排序遗传算法NSGA-II对所建立的近似模型进行多目标优化 ，取种群规模100、进化代数50、杂交概率0.9，图11为得到的优化设计Pareto前沿图。由图11可知，车门最大侵入量和构件总质量最小是相互矛盾的响应，所以2个优化目标是相互制约的。



将基于最小距离选解法得到的优化解代入有限元模型中进行仿真计算，得到优化前、后的碰撞响应对比曲线，如图12所示。




将初始设计与优化设计的参数列出，如表6所示。由表6可知，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，从图12中可以看出，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。

5. 结束语

a. 通过对比电池包安装前、后碰撞过程中结构件传力及变形模式发现，电池包布置于地板下的电动汽车下车体刚度较传统车偏大，导致车体中上部结构件在侧碰过程中变形较大，所以电动汽车需要考虑安装电池后车体侧面上、下结构刚度的差异性。

b. 针对多目标优化问题，选取电动汽车侧碰安全响应的目标参数，采用均匀拉丁方实验设计的方法建立了3种近似模型，并通过比较不同模型的精度选出拟合度最高的模型。



c. 采用非支配解排序遗传算法NSGA-II对近似模型进行优化，得到Pareto前沿图，依据最小距离选解法得到满意解并进行仿真验证，结果表明车身碰撞安全性和轻量化均得到有效改善。

来源：期刊—汽车技术
作者：王骞、刘军、张亚军、谢书港