基于新能源电动车双梯度波形的截面优化设计

李晓俊 廖 莺 张荣荣

(比亚迪汽车工业有限公司 广东 深圳：518118)

0 引言

目前汽车行业对于节能、环保和安全的需求日益增强，新能源车型的开发已成为汽车工业发展和能源结构转型的必然趋势。新能源汽车也逐步向产业化阶段迈进。目前，各大汽车生产商都以提高质量、降低成本和缩短周期的产品开发技术为目标。因此，新能源车型概念阶段的设计、开发方法和应用就显得尤为重要。Wagstrom等于2005年研究了汽车前端结构对碰撞减速度波形的影响[1]；Seo等于2009年提出了一种在汽车前期概念设计中汽车碰撞安全性的评价方法[2]；张君媛等于2012年提出在汽车开发前期，简化双台阶波形特征参数的确定方法，将总目标进行分解，为结构断面的设计提供了充分依据[3]；徐涛等于2010年对概念车身框架结构的多变量截面参数优化进行了研究[4]。

本文提出在新能源车型开发概念阶段，根据项目碰撞安全目标进行设计。首先，利用前舱布置空间尺寸，前舱空间数据库(吸能及力传递路径等)，建立整车加速度(双梯度)矩阵,利用约束系统仿真，并结合实际车型情况，得出最优加速度(双梯度)波形[5]，指导结构优化的方向和目标；其次，根据车体双梯度波形，得出前舱各个部分吸能、吸能盒和纵梁等关键零部件截面力设计目标；然后，根据截面力设计目标，对关键截面进行材料、形状、厚度、形貌优化，最终形成车体初步尺寸，并形成截面数据库，后续车型可以从数据库中对比并选取相关截面，并提供设计参考和指导。

本文提到的方法不仅适用于车型开发概念阶段，同样适用于详细设计阶段，为其提供设计目标。同时，提出始于前舱布置空间，终于吸能盒等主要截面优化设计的一套完整设计思路及方法，真正实现“性能驱动设计”，减少对设计经验的依赖，减少试验次数，大大降低试验和人力成本。

1 车体双梯度波形

本文主要从前舱空间、双梯度矩阵、约束系统仿真三个方面阐述：在概念阶段或项目中后期，利用前舱空间尺寸，并结合前舱吸能及碰撞力传递路径[6]，得出车体加速度矩阵，并利用约束系统仿真，优化出最优加速度。

1.1 前舱布置空间

某新能源车型前舱布置空间如图1所示，根据前舱空间确定并测量可变形距离。

图1 前舱空间及测量

1.2 车体加速度矩阵

根据前舱布置空间尺寸、前围板侵入量、结合变形比例，并利用相关程序，即可得出车体加速度矩阵。

吸能盒、纵梁前段变形比例设为三种：第一种85%、第二种80%、第三种75%；纵梁后段变形比例设为两种：第一种 20%、第二种25%；前围板侵入量设为两种：第一种50mm、第二种80mm，得到设计因素和水平表(如表1所示)。

表1 设计变量和水平表

根据前舱G-D设计变量和水平表，并利用正交试验设计方法，得到车体加速度矩阵，并通过约束系统对初选方案，进行仿真评估。

1.3 约束系统仿真及结果分析

上述车体G-D矩阵，利用约束系统进行仿真分析，并根据整车碰撞目标和假人伤害值，评估出合适的车体G-D曲线。乘员约束系统仿真结果如表2、表3、表4所示。

表2 100%正面碰撞约束系统驾驶侧仿真结果评分(吸能盒、纵梁前段吸能比例85%)

表3 100%正面碰撞约束系统驾驶侧仿真结果评分(吸能盒、纵梁前段吸能比例80%)

表4 100%正面碰撞约束系统驾驶侧仿真结果(吸能盒、纵梁前段吸能比例75%)

本文以第一组为例，根据假人伤害值，并结合车体开发难度，选择第一组第8个方案为最优方案。

2 能量分解及关键截面力目标

以前舱G-D矩阵第一组第8个方案为例，介绍相关过程。

2.1 能量分解

在设计结构截面之前，需对前舱空间(图2所示)做能量吸收分配，以便获得各个分总成结构的设计目标。首先，根据G-D曲线(见图3)，得出F-S曲线(见图4)、E-S曲线(见图5)，然后进行压溃距离能量、吸能比例分解，如表5所示。

图2 前舱空间简图

图3 G-D曲线

图4 F-S曲线

图5 E-S曲线

溃缩段 溃缩距离(mm) 能量(kJ) 吸能比例 △D1 211 38.1 19% △D2 149 53.4 27% △(D3+D4) 172 104 53%

2.2 关键截面力目标

根据能量分解及能量吸收比例，同时考虑安全系数0.8，即可以得到关键结构截面力设计目标如表6所示。

表6 关键结构截面力设计目标

3 关键截面优化设计

根据关键截面力设计目标，即可进行关键截面设计及优化，包括材料、厚度、形状、形貌等方面。碰撞性能设计目标对关键截面的三个设计原则：最大稳定载荷控制原则、平均压溃力控制原则、变形次序控制原则。本文以吸能盒为例，介绍关键截面设计及优化过程。

3.1 吸能盒材料优化

3.1.1 各车型材料统计及优化材料提取

吸能盒材料优化前，首先统计四款车型吸能盒材料(如表7所示)，目的是为了充分考虑工艺、材料等可行性；其次，根据四款车型吸能盒材料，进行材料优化。

表7 四款车型吸能盒材料统计

3.1.2 材料优化结果

利用优化软件，进行材料优化，结果如表8所示，表中方案2为最优材料方案。

对截面赋予最优材料，并对截面进行静态和动态分析。截面静态分析包括面积、质心、弯曲、扭转惯性矩，如图6所示。截面动态调用LS-DYNA求解器，主要求解该断面梁单元的轴向压溃特性、弯曲特性和扭转特性，X方向的力-位移压溃曲线如图7所示。

表8 材料优化结果 (单位：N)

图6 截面静态分析

图7 X方向压力-位移压溃曲线

3.2 吸能盒灵敏度分析

在进行截面优化之前，可以先进行截面灵敏度分析。以便了解截面节点和板厚的灵敏度信息。

吸能盒截面如图8所示，灵敏度分析结果如图9所示。

图8 吸能盒截面形状

图9 节点Y/Z向、板厚灵敏度分析

从图9中可以看出，节点79、80、81、82比较灵敏；内外板板厚对Iy&Iz比较灵敏，尤其是外板。

3.3 吸能盒截面优化设计

3.3.1 板厚和形状优化

材料优化和灵敏度分析之后，进行板厚和形状优化，主要采取静态和动态优化两种方式。优化思路如下：

(1)目标

平均压溃力≥ 134kN(已考虑安全系数0.8)

(2)优化

先利用静态优化出想要的形状，然后利用动态优化，再进行以力为目标的优化分析。

动态优化模型信息(如图10所示)：

a)求解器：Dyna

b)一端固定，一端用刚墙去压。

图10 吸能盒截面动态模型信息

3.3.2 静态、动态优化参数

(1)静态优化参数

在满足约束条件的前提下最小截面面积，通过减小截面面积来减少梁的质量，进而减少整车质量，同时通过提高截面几何特性约束条件，来提高截面的几何特性，最后提高整车的弯扭刚度等性能。此外优化的同时，还可以考虑冲压制造约束，这样是优化后的梁截面形状容易生产制造。静态优化参数为：

目标：面积最小

变量：形状、板厚

约束：Iy≥1166302mm4

Iz≥655152mm4

J≥1227141mm4

(2)动态优化参数

以平均压溃力为目标，薄壁梁的质量尽量小，最大峰值碰撞支反力低于指定的最大峰值碰撞支反力，压溃吸能大于指定的压溃吸能，同时冲压约束满足要求。动态优化参数为：

目标：平均压溃力≥ 133.5kN

变量：形状、板厚

力学约束：Fmax≤1.969×105N

E ≥1.849×107J

Mx≥1.023×107N·mm

My≥1.731×107N·mm

Mz≥1.731×107N·mm

工艺约束：SL≥1 DA≥1 CR≥1(可根据实际工艺要求确定)

3.3.3 静态、动态优化结果

根据动、静态约束及目标进行优化，优化结果如表9所示。

表9 截面静、动态优化结果

吸能盒截面动态优化变形结果和力-位移(F-S)曲线如图11、图12所示。

图11 吸能盒截面动态优化变形

图12 吸能盒截面动态优化F-S曲线

吸能盒动态优化力学目标满足，但从动态优化变形图中得出，变形还有优化空间。因此，基于吸能盒截面动态优化结果，进一步分析板厚变化，对截面力和变形的影响(如表10、图13所示)。

表10 截面厚度变化

图13 吸能盒截面板厚2变形图

结合变形图和力学目标，并考虑安全系数，选择板厚2为最优方案。

吸能盒截面优化前后截面性能及碰撞力学性能对比，如表11所示。

表11 吸能盒截面优化前后性能对比

3.4 形貌优化

根据上文得出的优化出的最优方案模型为基础模型，进行形貌优化[7]。形貌优化采用等效静态载荷法(Equivalent Static Load Method，ESLM)，此方法已被广泛应用于工程领域，同时也可用于非线性的结构优化，即把非线性分析结果的动态载荷迭代历程或者时间历程转化成多组等效静态载荷。碰撞即为非线性分析，因此采用ESLM方法进行形貌优化[4]。

采用板厚2模型进行吸能盒的形貌优化，优化前后结果如图14、图15所示。

图14 吸能盒形貌优化前图形

图15 吸能盒形貌优化结果

根据吸能盒截面材料、料厚、形状、形貌优化，可完成吸能盒零部件设计。

4 结论

本文根据车体碰撞目标，从前舱布置空间出发，得出车体双梯度波形，进而确定主要截面的截面力设计目标，并根据截面力目标，进行截面材料、料厚、形状、形貌优化。

(1)根据前舱布置空间、吸能及碰撞力传递路径，建立车体双梯度波形矩阵，并结合乘员约束系统仿真，优化出最优车体双梯度波形；

(2)根据车体双梯度波形，得出前舱各个部分吸能、以及吸能盒和纵梁等主要截面的截面力设计目标；

(3)根据截面力设计目标，对主要截面进行材料、形状、厚度、形貌优化，最终形成车体初步尺寸；

(4)形成截面数据库，后续车型可以从数据库中对比并选取相关截面，为截面设计提供参考和指导。

[2] Seo B, Han S, Kim W, et al. Performance Analysis Methodology Based on Crash Pulse Severity and Vehicle Occupant Packaging for Full Frontal Crash Event[C] ∥PROCEEDINGSOFTHE 21ST(ESV) INTERNATIONAL TECHNICAL CONFERENCE ON THE ENHANCED SAFETY OF VEHICLES,HELD JUNE 2009, STUTTGART, GERMANY, 2009.

[3] 张君媛,陈光,刘乐丹,等.乘用车结构正面抗撞性波形设计与目标分解[J].吉林大学学报(工学版),2012,42(4):823-827.

[4] 徐涛,左文杰,徐天爽,等.概念车身框架结构的多变量截面参数优化[J].汽车工程,2010，5(32):394-398．

[5] 黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社,2007.

[6] 邱少波．汽车碰撞安全工程[M]．北京：北京理工大学出版社,2016．

[7] Optistruct & HyperStudy 理论基础与工程应用[M]．北京：机械工业出版社,2012．