电动汽车正面碰撞安全性能分析与结构优化

王晋　乔鑫　董浩存　梁宇

（1.华晨汽车工程研究院，沈阳　110114；2.沈阳理工大学，沈阳　110159）

电动汽车正面碰撞安全性能分析与结构优化

王晋1乔鑫1董浩存2梁宇1

（1.华晨汽车工程研究院，沈阳110114；2.沈阳理工大学，沈阳110159）

为研究某电动汽车车身结构的安全性能，根据中国新车评价规程（C-NCAP）搭建了整车正面碰撞有限元模型，并对该电动汽车进行了正面碰撞仿真分析。针对该电动汽车出现的中央通道弯折严重、前地板变形过大而导致的电池安全性问题，从正面碰撞载荷传递方式和车身变形情况分析了该问题产生的原因并提出了优化方案。优化结果表明，该优化方案提高了中央通道的抗弯能力，前地板变形趋势减弱，电池安全性能提高。最后通过实车试验验证了该优化方案的可行性。

主题词：电动汽车正面碰撞安全性能结构优化

1　前言

近年来，纯电动汽车的发展受到人们高度重视，同时，电动汽车的碰撞安全性能也成为研究的重要领域。本文为研究某电动汽车车身结构的安全性能，搭建了整车正面碰撞有限元模型，根据C-NCAP的要求对该电动汽车进行了正面碰撞仿真分析，根据仿真结果提出了车身结构优化方案，并通过正面碰撞试验验证了优化方案的可行性。

2　整车有限元模型的建立

本文所研究的电动汽车是在传统汽油车基础上改造的，它与原型车的最大区别在于该电动汽车地板下部放置了1个大质量的动力电池，因而增加了汽车的整车质量，也使得碰撞能量进一步增加。该电动汽车的整车有限元模型由白车身、动力总成、转向系统、前后悬架系统、前后保险杠、动力电池和充电机等组成。整车模型大部分网格为板壳单元，单元大小在4～10 mm内，其中壳单元总数为1 377 577，实体单元总数为82 759。由于动力总成（由电动机和变速器等组成）刚度较大，在碰撞中基本不变形，所以可以视为刚体，建模时根据动力总成外形轮廓建立壳单元模型，将其设为刚体材料进行模拟，动力总成有限元模型如图1所示。根据CNCAP正面碰撞工况要求，整车以50 km/h的初始速度撞击刚性墙，整车碰撞有限元模型如图2所示。

3　整车正面碰撞仿真分析

按照C-NCAP正面100%重叠刚性壁障碰撞试验要求，对电动汽车整车碰撞有限元模型进行了加载计算，其碰撞变形情况如图3所示。由图3可看出，电动汽车碰撞后发动机舱盖发生褶皱，车辆前端吸能较好，A柱及顶棚无明显变形，然而驾驶员侧下地板与图2相比有明显变形。为查看地板变形情况，在后处理软件中将车身地板结构变形进行了单独显示，图4为电动汽车与原型车中央通道碰撞变形情况对比。

图1　动力总成有限元模型

图2　整车碰撞有限元模型

图3　电动汽车整车正面碰撞仿真结果

图4　电动汽车与原型车中央通道碰撞变形情况对比结果

由图4可看出，电动汽车座椅横梁前端处的中央通道出现明显弯折（黑框线内），而原型车座椅横梁前端的中央通道变形很小（黑框线内）。对于该电动汽车，若座椅横梁前端中央通道变形过大会产生以下问题：

a.由于动力电池安装在车身地板下端（图5），若中央通道变形过大会使车身地板部件直接撞击到电池上，从而使电池存在安全隐患。

图5　动力电池与车身地板相对位置

b.若电动汽车中央通道变形过大，将直接引起座椅前横梁下沉，从而使前排座椅产生绕Y轴的前向翻转。座椅的前向翻转会导致假人在碰撞过程中存在下潜趋势，将不利于对乘员的保护。

3.1整车碰撞载荷传递路径分析

在汽车正面碰撞过程中，碰撞载荷主要沿着上、中、下3条路径向车后传递。上部载荷主要通过散热器上横梁到上纵梁再沿着A柱向后传递分散，中部载荷主要通过保险杠横梁到前纵梁再沿着地板向后传递，下部载荷主要通过车轮传递到门槛，再沿着门槛向后传递。而电动汽车由于电池布置原因使得车身地板结构与原型车存在较大差别，所以两车正面碰撞主要差别在于中部载荷的传递方式。图6为电动汽车和原型车中部碰撞载荷传递路径对比。

图6　电动汽车与原型车中部碰撞载荷传递路径对比结果

由图6a可看出，电动汽车由于动力电池安装在地板下方，为保证一定的离地间隙，故在原型车基础上将座椅横梁区域的地板抬高，同时将原车身地板分割后重新进行焊接，形成电动汽车的地板结构，这就使得电动汽车的坐椅横梁区域与前地板在Z向存在断差（图7），而原型车地板从前到后是一个完整的部件，有利于碰撞载荷的传递。

图7　电动汽车纵梁中心纵向切平面碰撞载荷分布

由电动汽车中部碰撞载荷传递方式可知，当电动汽车撞击刚性墙后，碰撞载荷由保险杠横梁经吸能盒传递到纵梁，在纵梁根部碰撞载荷分成3条路径，第1条路径是载荷通过纵梁延长梁经门槛加强梁传递到地板后端；第2条路径是经中央通道加强梁传递到地板后端；第3条路径是经纵梁延长梁直接传递到地板后端。然而，通过路径2的碰撞载荷与通过路径3的碰撞载荷传递到座椅横梁前端时，由于座椅横梁区域与前地板形成的断差，使得这两部分载荷不能直接传递到地板后端。这就导致这部分碰撞载荷与车辆碰撞时产生的惯性载荷相互作用后在座椅横梁前端产生剪切变形，如图8所示。

图8　碰撞后座椅横梁前端变形纵向截面视图

对于原型车，碰撞载荷传递到地板后方的路径至少有两条（以驾驶员侧为例），第1条传递路径是经纵梁延长梁传递到地板后方；第2条传递路径是通过中央通道加强梁传递到地板后方。这部分碰撞载荷会经中央通道加强梁直接传递到地板后端。

3.2车身地板变形分析

断差的存在在引起座椅横梁剪切变形的同时，也使得其在碰撞过程中存在以下问题：

a.电动汽车碰撞载荷传递到地板后端的路径仅有1条（以驾驶员侧为例），即通过门槛加强梁传递到车身后侧。这就导致了门槛加强梁承受的载荷很大，最终使其变形严重，尤其是图9a区域1所示搭接件的弯角处。

b.图9a区域1中所示的搭接件弯角处的变形程度直接关系到纵梁延长梁能否撞击到动力电池上。由图9a区域2可以看出，纵梁延长梁末端几乎撞到动力电池上，电池存在安全风险。

c.碰撞过程中前地板发生的褶皱现象进一步增加了纵梁延长梁撞击动力电池的风险。

由图9b可看出，与电动汽车地板变形相比，原型车地板并未出现明显变形。这是因为原型车地板从前到后比较平整，并无断差结构，碰撞载荷传递的路径多，碰撞能量分散的比较合理。

图9　电动汽车与原型车碰撞速度归0时刻的地板变形情况对比（仰视图）结果

4　车身结构优化

由上述分析可知，断差是引起中央通道弯折严重的主要因素，而这种断差的形成是由于电池的布置不能改变导致，所以在不改变电池布置方式的基础上对车身地板进行了优化，优化方案如下。

a.在电动汽车中央通道（座椅横梁）下方增添加强件来减小其在碰撞过程中变形程度。该加强件厚为1.5 mm，材料为SAPH440，并且覆盖住中央通道弯折位置。图10为中央通道加强件示意。

图10　中央通道加强件示意

b.为降低纵梁延长梁根部撞击动力电池的风险，同时进一步缓解中央通道的变形，需要对门槛加强梁与纵梁延长梁搭接件进行优化。图11为纵梁延长梁和门槛加强梁搭接件优化前、后对比结果。由图11b可看出，将该搭接件边界进行了扩大，边界向x负向（基于整车坐标系）延长，增加了其与地板的覆盖面积，同时也增加了搭接件的抗弯能力。

图11　搭接件优化前、后对比结果

c.为消除前地板的褶皱现象，即让更多的碰撞载荷传递到中央通道加强梁上，需要对纵梁延长梁前端与中央通道加强梁前端之间的搭接件进行改进。图12为电动汽车前地板优化前、后对比结果。由图12可看出，优化前搭接件与中央通道加强梁的夹角几乎为90°，这种方案不利于碰撞载荷的传递；而优化后搭接件折弯处采用了过渡圆角，有助于碰撞载荷的传递。另外，在纵梁延长梁后端与中央通道加强梁后端再添加一搭接件，这样，前地板各梁就形成“口字形”结构，减轻了地板褶皱程度。

图12　电动汽车前地板优化前、后对比（仰视图）结果

5　优化后仿真结果分析

5.1中央通道变形情况分析

图13为优化前、后电动汽车中央通道变形情况对比结果。由图13可看出，优化后座椅横梁前端的中央通道变形明显减小，前座椅横梁下沉趋势得到明显改善。

5.2地板变形情况分析

图14为优化前、后驾驶员侧地板变形情况对比结果。由图14可看出，优化后门槛加强梁与纵梁延长梁之间的搭接件无明显变形；驾驶员侧地板褶皱现象基本消除；纵梁延长梁的末端与动力电池之间还有很大间隙，表明该优化方案有效地保证了动力电池自身的安全性。

图13　优化前、后电动汽车中央通道变形情况对比结果

图14　优化前、后驾驶员侧地板变形情况对比结果

6　实车验证

在此优化方案基础上，对电动汽车进行了正面碰撞实车验证试验。图15为正面碰撞后左右B柱加速度的仿真与试验结果对比。由图15可看出，仿真与试验的B柱加速度曲线吻合较好，表明仿真模型的准确性较高。图16为正面碰撞后驾驶员侧地板变形的仿真与试验结果对比。由图16a可看出，门槛加强梁与纵梁延长梁之间的搭接件无明显变形，地板未发生明显褶皱，纵梁延长梁的末端也未接触到电池，表明该优化方案是可行的。

图15　正面碰撞后左、右B柱加速度的仿真与试验结果对比

图16　正面碰撞后驾驶员侧地板变形的仿真与试验结果对比

7　结束语

本文以某电动汽车为研究对象，按照C-NCAP要求建立了正面碰撞有限元模型，并对该电动汽车进行了正面碰撞仿真分析。针对该电动汽车出现的中央通道弯折严重、前地板变形过大而导致的电池安全性问题，分别从碰撞载荷的传递方式和车身地板的变形情况分析了该问题产生的原因并对车身结构提出了优化方案。优化结果表明，该优化方案提高了中央通道的抗弯能力，前地板变形趋势与原始方案相比明显减弱，电池的安全性能大大提高。最终以该优化方案为基础对该电动汽车进行了正面碰撞验证试验，试验结果与仿真结果吻合较好，验证了该优化方案是可行的。

1裴永胜，张振宇，邓国红，等.某乘用车正面碰撞性能分析及结构优化.重庆理工大学学报（自然科学），2013，27 （4）：18～21.

2兰风崇，钟阳，庄良飘.基于自适应响应面法的车身前部吸能部件优化.汽车工程，2010，32（5）：1404～408.

3郑福荥，刘燕霞，吕浩.轿车碰撞安全性的评价及车身碰撞安全性设计.汽车技术，2006（4）：12～17.

4刘钊，朱平，俞明，卢家海.基于正面力传递路径的轿车车身结构耐撞性.汽车安全与节能学报，2011，2（2）：317～322.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年2月1日。

Frontal Impact Safety Performance Analysis and Structure Optimization of Electric Vehicle

Wang Jin1，Qiao Xin1，Dong Haocun2，Liang Yu1
（1.Brilliance Auto R&D Center，Shenyang 110114；2.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159）

The finite element model of vehicle frontal impact was built in accordance with China New Car Assessment Program（C-NCAP）for investigation the safety performance of electric vehicle body structure，and frontal impact simulation analysis was made to this electric vehicle.For the serious bending of central tunnel and excessive large front floor deformation，which led to safety problem of battery，cause of this problem was analyzed from the transmission mode of frontal impact load transfer and the body deformation of，and an optimized solution was proposed.The optimization showed that this solution improved the bending capability of the central tunnel，the bending trend at the front floor weakened，and safety performance of battery was improved.Feasibility of this optimization was verified with vehicle test.

Electric vehicle,Frontal impact,Safety performance,Structure optimization

U461.91

A

1000-3703（2016）09-0031-05