基于有限元法的电动汽车车身正面碰撞仿真及拓扑优化

新技术新工艺２０１３年第４期　基于有限元法的电动汽车车身　正面碰撞仿真及拓扑优化　曲令晋，李　仁　（河南工业职业技术学院，河南南阳４７３０００）　摘　要：车辆正面碰撞的安全性是汽车被动安全性研究的重要方面。利用有限元法对电动汽车碰撞　进行了研究，借助Ｌｓ＿ＤＹＮＡ分析了驾驶室最大加速度变化情况和车辆前舱的能量吸收情况，在此基础　上，对车身进行了拓扑优化设计，依据优化结果对车身结构进行了改进。通过计算机仿真，分析了汽车的　被动安全性，对下一步实车碰撞试验有极大的指导意义。　关键词：电动汽车；正面碰撞；仿真；优化　中图分类号：Ｕ　４６２．３＋５　文献标志码：Ａ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｏｐｏｌｏｇｙ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｈｅａｄ—ｏｎ　Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ＱＵ　Ｉ　ｉｎｇｊｉｎ，ＩＡ　Ｒｅｎ　（Ｈｅ’ｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｎａｎｙａｎｇ　４７３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｆｒｏｎｔ　ｃｒａｓｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅｎｅｓｓ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅ　ｃｒａｓｈ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ，ｗｉｔｈ　ＬＳＤＹＮＡ，ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｇ—　ｇｅｓｔ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｂ　ａｎｄ　ｇｏｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈａｔ，ｇｏｔ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｏｄｙ，　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗａｓ　ｒｅｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍ—　ｕｌａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ，ｉｔ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｅｘｔ　ｒｅａｌ　ｃａｒ　ｃｒａｓｈ　ｔｅｓｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｈｅａｄ—ｏｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　汽车的碰撞安全性能与驾乘人员的人身财产安　全紧密相关，且至关重要。依照中国新车评价规程　Ｃ—ＮＣＡＰ，汽车的碰撞安全性评估包括１００　正面碰　撞、４Ｏ　正面偏置碰撞和侧面碰撞。正面碰撞事故　造成的死亡人数最多＿１］，正面碰撞对驾乘人员的人　身安全威胁最大；因此，各国碰撞试验把正面碰撞形　式作为主要研究对象，对降低交通事故死亡人数意　义重大。　考虑电池组的安全，包括电池组的变形和位置变化、　电解液的泄漏以及是否会发生爆炸等；因此，电动汽　车的碰撞安全性相对传统汽车而言有了更高的要　求。　本文源于以某汽车企业电动汽车为研究项目，　利用ＬＳ—ＤＹＮＡ模拟了某电动轿车正面碰撞的全过　程；同时，利用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ对车架进行了拓扑优化　设计。根据碰撞结果和拓扑优化结果，对车架进行　汽车的碰撞安全性研究有２种方法：１）实车碰　了改进设计。仿真结果表明，优化后的模型不仅在　安全性上有所提升，而且质量更轻。　撞试验；２）通过计算机模拟仿真汽车的碰撞过程。　早期由于计算机水平落后，因此，对汽车碰撞安全性　的研究主要采用试验的方法。试验的方法虽然贴近　１碰撞有限元模型的建立　１．１　车辆有限元模型的建立　真实，可靠性高，但对场地设备的要求高，投，成　本高，危险系数大，且可重复性差¨２］。计算机仿真法　弥补了试验法的不足，在当今的汽车设计过程中，计　算机仿真法常常作为试验法必不可少的补充，特别　在前期设计阶段发挥了重要作用，为汽车的安全性　本设计的电动汽车属于纯电动轻型车，如图１　所示为该车的三维设计模型。与传统传动系统相　比，它将电动机和传动系统进行了一体化设计。本　电动汽车采用２轴形式，中间无传动轴，电动机位于　汽车的后部，布置形式为后置后驱。共布置５块电　设计提供了有效的依据。　近年来，随着国家对研发新能源汽车的和　投入的不断推出和增大，电动汽车作为新能源汽车　池，其中在汽车的前后部各布置１块电池，在中间第　１排座椅下布置３块电池。本设计结构简单，有效　减轻了整车质量，另外，车身骨架材料采用高强度铝　合金，利于实现整车轻量化。　半承载式的车身壳体在碰撞过程中也承担着部　的主要发展方向，已被各大汽车制造厂商作为重点　研究项目。对于电动汽车的碰撞安全性，除了要考　虑碰撞后汽车变形造成的安全生存空间问题，还要　ｌ　《新技术新工艺》设计计算与试验研究　新技术新工艺２０１３年第４期　２．３加速度分析　过大的加速度是造成人体伤害的主要因素之　一。根据国标ＧＢ　１１５５１—２００３￣乘用车正面碰撞的　Ⅲ，鲻磺曩　２　０　８　６　４　２　２　４　６　８　乘员保护》对车辆加速度测量点的要求，选取Ｂ柱　（前后座舱之间的，从车顶沿到车底的竖梁）下端的　∞∞∞∞∞∞Ｏ∞∞∞∞　ｙ方向加速度一时间历程曲线求考察电动汽车的加　速度变化情况。　如图４所示为测量点的ｙ方向加速度一时间历　程曲线图。从图４中可以看出，在碰撞发生之前，加　１６　速度一直为０，在碰撞发生后在０．０８５　Ｓ之前，加速　度的变化不大，加速度的峰值出现在０．０９～Ｏ．１１　Ｓ，　随后加速度逐渐衰减，趋于稳定。加速度之所以在　图５能量变化曲线图　产品的结构和功能特征，有针对性地对总体和具体　结构进行设计。　３．１优化模型的建立　０．０８５　Ｓ以后才剧烈变化，是因为之前主要由车身前　部变形吸收能量，０．８５　ｍｓ后Ｂ柱才因受到传递来　的冲击力的作用发生变形。最大加速度为６８０　ｍ／ｓ　，最小加速度为一５９０　ｍ／ｓ。，由曲线求出平均　由于碰撞过程中主要由底架前部变形吸收冲击　能量，所以优化区域选择底架前部的空白区域，在底　架前部的空白区域填充与底架横、纵梁具有相同厚　度的实体模型作为优化区域，建立的拓扑优化几何　模型如图６所示。　加速度约为１８０　ｍ／ｓ。，由文献［８］可知，小型轿车碰　撞的平均加速度约为２００　ｍ／ｓ。；因此，计算求出的　结果在合理范围之内。　－　ｉ　Ｉ　ｎ　Ｊ＾　ＪＬ　Ｌ＾　▲　ｌ　Ｉ　ＩＩ　，ｌ　＾　ｌ。ｒ　、Ｉ１　Ｗ　Ｉ】　ｆ、　Ｉ●　、Ｉ　－　’　Ｊ　ｌ　图６底架拓扑优化几何模型　３．２计算结果　时阆／８　本拓扑优化采用密度法，经过２２次迭代结果收　图４　Ｂ柱下端ｙ方向加速度一时间历程曲线　敛。由计算结果可知，单元密度值较大的部分为２　个近似对称的斜梁，其位置位于驾驶室处２个横梁　２．４能量变化趋势与分析　汽车碰撞过程是一个能量守恒、不同能量形式　之间。斜粱的一端与驾驶室前横梁连接，连接处靠　近此横梁与前端纵、梁相交部位，另一端与驾驶室后　横梁及门槛梁连接，连接处靠近此横梁与门槛梁相　交部位。根据计算结果，在驾驶室处底架的２个横　梁之间对称地增加４根斜梁，斜梁的截面尺寸为５Ｏ　ｍｍＸ　５０　ｍｍ，厚度为２　ｍｍ。如图７所示为修改后　的模型。　转变的过程，主要是动能快速转变为内能（变形能）。　如图５所示为碰撞过程中的能量变化曲线。从图５　可以看出，动能呈非线性逐渐减小，初始动能最大。　碰撞发生后，随着车身变形量的增加，车身不断地吸　收冲击能量，内能逐渐增加。减少的动能大部分转　化为车身的内能，其余转化为热能等消耗掉。通过　比较沙漏能曲线和内能曲线可以看出，沙漏能始终　小于内能的１０　９／６，沙漏变形对求解结果影响不显　著，可以认为对沙漏的控制是成功的。　３拓扑优化设计　拓扑优化就是在给定的设计空间内寻求最佳的　材料分配方案。通过拓扑优化分析，可以全面了解　图７优化后的底架模型　５０　ｌ　《新技术新工艺》设计计算与试验研究　设计计算　试验研究　４综合改进与碰撞分析　从以上分析可以看出，驾驶室处底架前端横梁的　弯曲变形明显威胁乘员的安全生存，前车门处的变形　量会影响碰撞后前车门的正常打开，威胁乘员的人身　安全；因此，需要改善底架结构，减小驾驶室处底架横　梁的弯曲变形和车门的变形量。对底架的改进如下：　Ｉ　、　ｌ　ｌ　ｆ　１　ｔ　＼　、　、　—一　１）依据拓扑计算结果，在前车门位置的２个横梁之　间增加２个纵梁；２）在前车门位置的横、纵梁连接　处添）ＪＭＪＤ强板，提高横、纵梁连接处抵抗变形的能　ｌ　ｎ●Ｉ　４　０ｆ　嘎　０　１　＇　ｎ　１　ｎ　Ｏ．０２　０．０６　０．１　０．１４　０．１８　对间，ｓ　力；３）适当增加前车门处横、纵梁的壁厚，从原先的　２　ｍｍ壁厚增加至３　ｍｍ厚。　改进后车身的最大位移一时间历程曲线如图８　所示。从图８中可以看出，最大位移为０．４３　ｍ。依　照考察车门变形量的方法，Ａ柱（发动机舱和驾驶舱　之间的竖梁）测量点ｙ方向位移一时间历程曲线如图　图１Ｏ　Ｂ柱ｙ方向位移一时间历程曲线　５　结语　本文从工程应用的角度出发，对碰撞模拟的理　论与数值仿真模型的建立进行了较系统的研究。通　过仿真分析，得到电动汽车车身碰撞过程，并通过拓　９所示，Ｂ柱测量点ｙ方向位移一时间历程曲线如图　１０所示。可以看出，Ａ柱测量点的最大绝对位移为　０．３６　ｍ，Ｂ柱测量点的最大绝对位移为０．３８　ｍ，对　扑优化指导改进思路，提出了有效的车身改进方案。　改进后，结构的耐撞性及吸能有较大的改善，为电动　汽车在结构上的安全设计提供了参考依据。　比２个测量点的位移一时间历程曲线发现，２个测量　点的绝对位移之差最大为０．０１８　ｍ。１８　ｍｍ的位移　对于车门来说变形不大，乘员可以在不借助工具的　情况下打开车门逃生；因此，底架的改进对于控制车　门的变形量，保证乘员的顺利逃生是成功的。　参考文献　［１］王碹，李宏光，赵航．现代汽车安全［Ｍ］．北京：人民交通　出版社，１９９８．　Ｅ２］陈海树，赖征海，邸建卫．ＬＳ－ＤＹＮＡ在汽车碰撞模拟过　程中的应用Ｉ－Ｊ］．沈阳大学学报，２００６（４）：１０—１１．　Ｅ３］李裕春，时党勇，赵远．ＡＮＳＹＳ　１０．０　ＬＳ－ＤＹＮＡ基础理　Ｉ　ｌ　ｌ　ｌ　潍　趔　、　论与工程实践ＥＭ］．北京：中国水利水电出版社，２００６．　Ｅ４］杨华．电动汽车正面碰撞仿真分析ＥＤ］．武汉：武汉理工　大学，２００８．　Ｆ５］何文，钟志华．汽车被动安全性研究概述［Ｊ］．湖南大学　学报，２０００（２）：１４—１９．　‘ｌ　Ｉ　＼　＼Ｏ．Ｏ２　Ｏ．ｏ６　Ｅ６］高晖，李光耀．汽车碰撞仿真中沙漏控制算法研究［Ｊ］．　，　　，一　Ｏ．１　汽车工程，２００８（８）：６７１－６９９．　［７］曹根锋．汽车碰撞过程并行有限元仿真技术Ｉ－Ｊ］．机械工　时间，ｓ　程学报，２００５，４１（２）：１５４—１５５．　图８　改进后车身最大位移一时间历程曲线　Ｅ８］黄靖，王健．汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的　影响分析［Ｊ］．汽车科技，２０１０（１）：３０—３４．　作者简介：曲令晋（１９８１一），男，讲师，硕士研究生，主要从事　汽车结构力学分析、计算机虚拟仿真与优化、数控　技术与应用等方面的研究。　收稿日期：２０１２年１Ｏ月２４日　曼　簿　掣　｜　ｌ　ｌ　１　｜　责任编辑—一＇　Ｌ　＿●　吕菁　０．０２　０．０６　０．１　０．１４　０．１８　时间／ｓ　图９　Ａ柱ｙ方向位移一时间历程曲线　《新技术新工艺》设计计算与试验研究　５１