同平臺開發的電動車 , 搭載了數百千克的鋰離子電池 , 整車質量較傳統燃油車增重 20%以上 ｡ 通常情況下 , 油改電而來的電動車 , 其前艙吸能空間並不優於傳統燃油車 , 改善前艙吸能空間的同時需要考慮平臺通用化 , 導致車體耐撞性的開發難度成倍增加 ｡ 因此 , 如何提升耐撞性及保護乘員安全成為目前階段前艙設計的主要工作 ｡
本文以某電動車專案為出發點 , 在平臺零件通用 ､ 共線通用的基礎上 , 實現結構 ､ 材料及尺寸的最佳化提升 , 並藉助CAE為手段 , 滿足碰撞安全效能目的 , 併為後續車型開發積累經驗 ｡
1電動車車身結構分析
1.1燃油車和電動車車身結構設計
在燃油車上開發電動車 , 通常的整體方案是移除燃油車動力系統 ､ 進排氣系統和燃油系統等部件 , 替換成電動車電機電控系統 ､ 電池系統和充電系統等機艙佈置 , 如圖1所示 ｡ 電動車電機電控等驅動部件佈置在機艙內部 , 電池系統佈置在前後地板正下方 , 因離地間隙要求 , 整車姿態也會整體上移調整 ｡
造型如沒有特殊要求 , 為減少開發週期 , 上車體完全沿用燃油車 ｡ 電動車電機電控等驅動部件體積小於燃油車動力系統 , 能夠保持機艙的樑架結構沿用 , 僅是區域性連線結構新設計 ｡ 因較大的續駛里程和整車離地間隙等要求 , 電池的尺寸比較大 , 下車體地板面 ､ 樑架結構需要適應電池佈置進行重新開發 , 尤其是車身下體前部樑架結構變化較大 , 前縱梁後部和中通道兩側縱梁截斷 , 下部樑架圍繞電池設計成框架樑 , 如圖2 ､ 圖3所示 ｡ 下車體後部架構不變 , 僅是區域性連線結構新設計 ｡
1.2電動車車身碰撞問題分析
電動車下體邊梁結構以及區域性結構都所有加強 , 但是由於前部下體樑架的變化以及整車姿態的上調 , CAE碰撞分析結果並不理想 , 尤其是偏置碰撞 , A/B柱壓縮量大 , 前圍板 ､ 轉向管柱 ､ IP等侵入量超標嚴重 , 見圖4 ､ 表1 ｡ 主要原因分析如下:
1)打破原燃油車下車體傳力路徑 , 原燃油車下體傳遞路徑由兩條縱梁透過前圍π字梁從前圍傳遞到前地板中通道梁 ､ 縱梁後段 ､ 邊梁等6條路徑分配 , 尤其是縱梁從前部延至後地板 , 承擔著主要的碰撞力流傳遞 ｡ 而電動車下體中斷縱梁結構 , 碰撞力僅透過兩條邊梁傳遞 , 不利於載荷傳遞 , 導致受力集中 , 區域性變形大 , 不利於整車效能指標達成 , 如圖2 ､ 圖3所示 ｡
2)電動車在燃油車基礎上增加了350kg的電池 , 整車重量增加 , 動能增加 , 導致各路徑下的受力增加 , 同等結構下變形量增加 , 表現在縱梁上翹嚴重 , 前圍板侵入量較大 , shotgun ､ A柱及上邊梁 ､ 中通道變形嚴重 ｡
3)因電池離地間隙要求 , 整車姿態整體上移 , 質心相對於燃油車有偏移 , 碰撞力流分配有所差異 , 以致縱梁變形模式有所改變 ｡
2電動車車身碰撞效能最佳化
以保證與同平臺車型共線為前提條件 , 考慮模 ､ 檢 ､ 夾具的最大通用化 , 以實現各車型切換差異化為目的 , 採用了增加新零件和差異區分關鍵零件兩個手段 , 主要從關鍵傳力路徑最佳化 ､ 材料提升最佳化 ､ 關鍵零件結構最佳化提升三個方向進行最佳化研究 ｡
2.1關鍵傳力路徑最佳化(分散碰撞能量/減少入侵量)
在維持原有架構和傳遞路徑 , 保持各總成結構關係不變和板面件沿用的基礎上 , 區域性加強主傳力路徑中接頭處的連線 ｡ 主要是在前縱梁前段根部與前圍橫樑及前圍連線板接頭部位 ､ 前地板中通道前後段處 ､ A柱上部和空氣室連線處 ､ C柱下部與門框連線處等加強連線 , 適當增加連線板或加強件 , 見表2 ｡
增加下部載荷傳遞路徑 , 在目前傳遞路徑基礎上考慮使用全框式副車架 , 使副車架參與正碰及偏置碰的碰撞吸能 , 形成上 ､ 中 ､ 下三層載荷傳遞路徑 , 更有利於分散載荷 , 控制結構變形和管理能量分佈 , 可有效地改善車體加速度波形分佈 , 減少乘員艙變形 , 如圖5所示 ｡ 原有傳遞路徑持續進行最佳化加強 , 保持各總成結構關係不變和板面件沿用 , 加強主傳力路徑中接頭處的連線(同表2) ｡
2.2材料提升最佳化(合理分佈/物盡其用)
根據模擬分析車身結構件對碰撞效能影響的重要程度 , 進行零件材料選型提升 ｡ 為了不影響保持同平臺車型通用化最大化 , 選材遵循兩個原則:①共線及開發週期長的零部件保持沿用 ꎻ ②對於厚度變化影響周邊零件變更等影響較大的零部件 , 僅提升牌號不最佳化料厚 ｡ 按照以上條件進行影響零部件材料提升最佳化 , 不影響周邊連線件更改的重要結構件材料料厚同步最佳化 , 如兩輪罩連線的C型梁零件 ､ 前圍橫樑 ､ A柱與前圍板連線加強板 ､ 縱梁內部加強板等零件ꎻ 影響周邊連線件更改的重要結構件(如A柱 ､ 上邊梁 ､ C柱加強板等零部件)僅提升材料牌號 ｡ 詳細材料最佳化方案見表3 ｡ 根據需要 , 部分零件結構最佳化與材料最佳化同步進行 ｡
在更改過程中 , 本著增加料厚同時儘量少影響搭接面的原則 , 考慮安裝點及焊接順序的同時 , 最終優化了23個零件的搭接邊 , 實現了最優更改方案及組合 , 並實現了基礎車型可同步切換 ｡
2.3關鍵零件結構最佳化(設計結構最佳化/增加補強結構)
對模擬分析區域性變形較大和突變部位的零部件進行結構最佳化設計 , 除了上述材料最佳化的零部件同步進行結構最佳化外 , 主要對A柱內部上中下連線件 ､ 前邊梁 ､ shotgun內部 ､ C柱上部邊梁內部加強件進行結構最佳化 , 增加和最佳化與周邊件的連線和傳力結構 , 改善變形趨勢 , 區域性加強 , 見表4 ｡
2.4電動車車身碰撞效能模擬分析
對上述最佳化方案進行偏置碰撞模擬分析 , 結果見圖4 ､ 表 5 ｡ 將表5與表1進行對比 , A—B柱壓縮量由76.3mm下降到15.3mm , 滿足目標 , 前圍板各部位動態侵入量也都下降到安全值以內 , 轉向管柱和IP動態侵入量都有大幅度下降 ꎻ雖然轉向管柱方向盤跳動 - X向指標和管柱連線點指標還未滿足目標 , 考慮到超標範圍很小 , 綜合評估可接受透過 ｡ 可見 , 此最佳化方案改善效果明顯 , 可達目標要求 ｡
2.5提升方案工藝性同步最佳化及分析
在效能基本滿足目標後進行詳細資料設計及分析 , 詳細資料設計包括效能貢獻率分析 ､ 零件減重 ､ 材料牌號/料厚整合 ､ 材料利用率提升 , 還有衝 ､ 焊 ､ 塗 ､ 總工藝分析 , 以及供應商分析 ､ 工藝性問題更改等 ｡ 經過對上述內容反覆最佳化更新及CAE分析 , 最終實現了減重3.25kg , 降低開發費用30餘萬元 , 並形成正式更改方案 ｡
3結論
本文透過對某電動車車身結構進行碰撞最佳化分析 , 在保證樑架總成共線和零部件最大通用化的前提下 , 對關鍵傳力路徑中接頭部位 ､ 重要影響的結構件材料 ､ 區域性變形或突變的零部件結構進行了最佳化 ｡ CAE模擬分析表明 , 此最佳化方案明顯改善車身碰撞效能 , 同時實現了效能 ､ 成本及週期的最優組合 ｡ 此碰撞最佳化分析思路和方法 , 對於電動車車身開發工作具有借鑑作用 ｡
