基于美標(biāo)的純電動客車側(cè)面碰撞仿真分析

王松，陳婉平，紀緒北（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，廣東深圳518000）

基于美標(biāo)的純電動客車側(cè)面碰撞仿真分析

王松，陳婉平，紀緒北
（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，廣東深圳518000）

建立某純電動客車側(cè)面碰撞有限元模型，依照美國公共交通協(xié)會（APTA）制定的客車側(cè)面碰撞試驗標(biāo)準，對客車進行側(cè)面碰撞仿真分析，從乘員安全和電池安全兩方面評價客車的側(cè)面碰撞安全性，并對客車的結(jié)構(gòu)進行改進。

純電動客車；美國標(biāo)準；側(cè)面碰撞

相比于燃油客車，純電動客車在結(jié)構(gòu)防撞性上有更高的要求。這是因為在遭受撞擊時，電動客車的車身結(jié)構(gòu)一方面應(yīng)能保護乘客不受傷害，另一方面也應(yīng)能防止電池受到碰撞和擠壓，避免發(fā)生電池泄漏、短路、爆炸、燃燒等危險事故［1-2］。

對于客車結(jié)構(gòu)的防撞性，國外一些國家制定了一些相應(yīng)的安全性強制法規(guī)［3］，如美國公共交通協(xié)會（APTA）制定的關(guān)于公共交通工具的行業(yè)標(biāo)準就對公共汽車的防撞性作了明確規(guī)定。

本文是以比亞迪面向美國市場開發(fā)的一款純電動客車為研究對象，依照APTA制定的關(guān)于公共汽車側(cè)面碰撞試驗規(guī)程，對其進行側(cè)面碰撞仿真分析，評價客車的防撞性能，并評價電池在碰撞過程中的安全性，最后根據(jù)存在的問題對客車的結(jié)構(gòu)進行改進。

1　客車側(cè)面碰撞有限元模型

1.1客車有限元模型

被撞客車為一豪華城際客車，外形尺寸長×寬×高為13 500mm×2 550mm×3 500mm，其底架為三段式車架，中段車架下面從前到后依次布置的是一個行李艙和兩個電池艙，電池艙內(nèi)安裝著四組電池包，左右各兩組，對稱分布。

忽略內(nèi)外飾件、附屬設(shè)備等非主要承載結(jié)構(gòu)，保留車架、車身骨架、牛腿、電池包等主要承載結(jié)構(gòu)。為了提高仿真精度，不應(yīng)考慮蒙皮對客車側(cè)面碰撞的影響［4］。將模型導(dǎo)入HyperMesh的LS-DYNA模塊中，用尺寸為10的殼單元進行網(wǎng)格劃分。碰撞分析對模型的網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，建模時應(yīng)將每個單元的最小邊長、翹曲度和雅克比都控制在合理范圍內(nèi)，并消除初始穿透。

電池艙門和行李艙門是遭受碰撞的關(guān)鍵位置。艙門的建模應(yīng)符合其實際結(jié)構(gòu)。該車的艙門可以向上翻起打開，建模時用一系列旋轉(zhuǎn)鉸模擬艙門上端的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用Rigid剛性連接模擬下端的鎖止機構(gòu)；另外，電池包也是碰撞過程中重點關(guān)注的對象。電池包由電池包蒙皮、電池包骨架和若干電池塊組成。對電池塊簡化建模，用殼單元構(gòu)建其空間的外部輪廓。電池包有限元模型如圖1所示。

懸架由彈簧系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)和導(dǎo)向機構(gòu)組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用彈簧、阻尼和柱鉸的方式來簡化建模［5］，通過在相應(yīng)關(guān)鍵字中輸入彈簧剛度和阻尼系數(shù)曲線來模擬空氣彈簧和減振器。輪胎用殼單元來建模，以氣囊的形式進行模擬。

材料需要定義的參數(shù)有密度、彈性模量、泊松比、屈服強度和應(yīng)力應(yīng)變曲線。其中應(yīng)力應(yīng)變曲線對仿真結(jié)果有重要影響，需要通過樣件拉伸試驗獲取。此外，彈塑性材料在高速沖擊載荷作用下，還應(yīng)考慮應(yīng)變率效應(yīng)［6-7］。文中所用到的鋼材應(yīng)變率參數(shù)C和P分別取40和5，鋁材取6 500和1。最后，對整車模型進行配重，使其重量、重心位置與實車一致。

1.2碰撞有限元模型

本文側(cè)面碰撞仿真依照APTA關(guān)于公共汽車側(cè)面防撞性試驗（TS23.2）進行。

APTA關(guān)于公共汽車側(cè)面防撞性試驗規(guī)定：客車的任何一側(cè)（不包括門的位置）在受到一個時速40 km/h（25 mile），質(zhì)量為1.814 t（4 000 lb）的汽車撞擊后，在車身上對應(yīng)于乘客H點的位置不應(yīng)該有超過76.2mm（3 inch）的永久結(jié)構(gòu)變形［8］。

考慮到重量為1.8 t級的碰撞試驗車的實際尺寸應(yīng)與一般轎車的尺寸相仿。本分析采用美標(biāo)轎車側(cè)面碰撞仿真中已經(jīng)對標(biāo)的移動壁障FMVSS214 barrier作為等效側(cè)面碰撞試驗車。保持該移動壁障有限元模型的重心位置不變，將其配重到1.814 t。

碰撞選擇側(cè)面結(jié)構(gòu)強度薄弱且易發(fā)生危險的電池艙和行李艙的位置進行。將移動壁障有限元模型導(dǎo)入客車有限元模型，并調(diào)整碰撞方向正對艙門，定義客車的自接觸、碰撞處的面面接觸以及地面。設(shè)置移動壁障速度40 km/h、客車輪胎與地面的初始滑動摩擦系數(shù)0.7。最終建立的客車側(cè)面碰撞有限元模型如圖2所示。

2　仿真結(jié)果及結(jié)構(gòu)改進

設(shè)定計算時間為200ms，將模型提交給LS-DYNA計算。計算結(jié)束后，在HyperView中查看計算結(jié)果。

2.1可信性分析

碰撞的初始能量是移動壁障的動能，在碰撞的過程中，由于車身結(jié)構(gòu)以及移動壁障蜂窩鋁的結(jié)構(gòu)變形，動能逐漸轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，動能逐漸減少，而內(nèi)能逐漸增大；另外一部分是由數(shù)值計算引起的沙漏能和滑移能。這兩部分能量的大小都必須控制在較小的范圍內(nèi)；此外，在計算的時候，系統(tǒng)會自動增加某些部件的質(zhì)量。只有能量變化和質(zhì)量增加在可接受的范圍內(nèi)，仿真結(jié)果才準確可靠［9］。碰撞能量曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，碰撞過程能量變化合理，曲線光滑，沙漏能和滑移能保持很小的正值；此外，整個計算過程中，質(zhì)量增加的最大值僅占模型總質(zhì)量的0.9%。由此可以說明，本碰撞模型的網(wǎng)格質(zhì)量較好，接觸的定義以及各種求解卡片的設(shè)置也比較合理，仿真結(jié)果可信。

2.2乘員安全

圖4為碰撞位置正上方兩處乘員H點對應(yīng)在車身上的兩個測量點的侵入量曲線。H點是確定乘客在座椅中位置的參考點，它是軀干和大腿相連接的旋轉(zhuǎn)點。從圖4中可以看出，從發(fā)生碰撞開始，測量點的侵入量開始逐漸增大。到100ms時，測量點的侵入量達到峰值37mm。之后，碰撞逐漸結(jié)束，移動壁障與客車分離，客車左側(cè)圍開始回彈，侵入量逐漸減小，到200ms時計算結(jié)束。由于測量點的峰值最大變形只有37mm，可以判斷最終永久結(jié)構(gòu)變形會小于37mm，遠小于APTA的規(guī)定值76.2 mm，碰撞處的結(jié)構(gòu)強度滿足APTA的側(cè)面碰撞要求。

車身上對應(yīng)于乘員H點處的永久結(jié)構(gòu)變形較小，是因為該車下部布置的電池艙抬高了車內(nèi)地板高度，座椅較高而撞擊位置較低。受到側(cè)面碰撞時，客車下部的電池艙門和艙內(nèi)的電池包對抵抗移動壁障的侵入起了主要作用，吸收了大部分碰撞能量，而艙門上方受到的影響較小，測量點的侵入量較小。

2.3電池安全

側(cè)碰中電池是否受到損壞也是本文研究的一個重要方面?？梢砸噪姵匕羌芘c電池塊之間是否產(chǎn)生接觸力來判斷艙內(nèi)的電池是否受到碰撞擠壓，以接觸力的大小判斷電池塊受碰撞擠壓程度的大小。碰撞中電池包骨架與電池塊的接觸力曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，電池包骨架與電池塊之間的接觸力在約18ms的時刻產(chǎn)生并瞬間增大。在50ms的時候，接觸力達到最大值，約56 900N，隨后接觸力開始減??；到70ms時，達到一個極小值，70ms后接觸力又逐漸增大；到80ms時，達到一個極大值后又開始減小，之后接觸力逐漸減小，最終變?yōu)榱恪Ｔ谡麄€碰撞過程中，電池包骨架與電池塊之間不但產(chǎn)生了接觸，而且最大接觸力達到了約56 900N，這說明電池存在著較大的安全風(fēng)險。

以上是移動壁障撞擊中間艙門的仿真結(jié)果。用同樣的方式將移動壁障對準客車左側(cè)另外兩個艙門進行碰撞仿真。結(jié)果顯示，三個碰撞位置，乘員安全均能滿足APTA的側(cè)面碰撞要求，但艙門的侵入量都較大，兩處電池艙內(nèi)的電池均存在較大的安全風(fēng)險。

2.4結(jié)構(gòu)改進

在后處理中可以發(fā)現(xiàn)，碰撞發(fā)生后，移動壁障的沖擊引起了電池艙門骨架和側(cè)圍結(jié)構(gòu)的向內(nèi)凹陷變形，移動壁障推動著艙門撞擊電池包，電池包骨架受到碰撞后變形，進一步壓縮內(nèi)部電池塊，導(dǎo)致電池損壞。碰撞中電池艙門骨架、側(cè)圍上艙門左右兩側(cè)的立柱以及側(cè)圍最下端縱梁的變形幅度很大，未能有效地抵抗移動壁障的侵入，結(jié)構(gòu)強度薄弱。

針對以上問題，需對局部結(jié)構(gòu)進行加強，結(jié)構(gòu)的加強不應(yīng)影響艙門的正常開啟，可進行如下結(jié)構(gòu)改進：在電池艙門骨架上加裝一根槽型梁并在槽型梁內(nèi)部再焊接兩根口型梁；在艙門左右兩根側(cè)圍立柱與車架之間各加裝一根y向的支撐梁；在電池包底部的車架和側(cè)圍最下端縱梁之間加裝三根y向的支撐梁。

對結(jié)構(gòu)改進后的模型再次進行碰撞仿真，得到電池包骨架與電池塊之間接觸力曲線，如圖6所示。在整個“碰撞”過程中，電池包骨架與電池塊之間的接觸力始終為0。說明在整個“碰撞”過程中，電池包骨架與電池塊始終沒有產(chǎn)生接觸，電池處于安全狀態(tài)。

3　結(jié)論

通過對該客車的側(cè)面碰撞仿真，得出以下結(jié)論［10］：

1）該客車的防撞能力能滿足APTA關(guān)于公共汽車側(cè)面碰撞乘員保護的法規(guī)要求，但電池安全存在風(fēng)險，客車局部強度需要加強。

2）通過加強艙門骨架結(jié)構(gòu)強度和在側(cè)圍與車架間添加幾根y向支撐梁后，電池安全風(fēng)險問題得到了解決，說明沿著側(cè)碰方向布置的支撐梁對抵抗側(cè)面碰撞的效果明顯。

3）目前國內(nèi)還沒有關(guān)于大客車側(cè)面碰撞安全性強制法規(guī)，相關(guān)的研究也少。希望本文提出的基于美國標(biāo)準下的純電動客車側(cè)面碰撞仿真的研究方法能給今后這方面的研究提供借鑒。

［1］王震坡，王越.純電動客車側(cè)碰撞有限元建模及仿真分析［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2013，33（3）：266-270.

［2］鄒俊，桂良進，范子杰.燃料電池城市客車側(cè)面碰撞有限元分析［J］.汽車技術(shù)，2009，（4）：4-7.

［3］高水德，張紹理，姚常青.國外客車被動安全研究［J］.客車技術(shù)與研究，2006，28（3）：8-9.

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［5］胡志遠，曾必強，謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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［8］APTAStandard Bus ProcurementGuidelinesSectionsTS23.2.

［9］朱江森，郭艷茹，陳劍.某車門碰撞性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］.汽車科技，2011，（5）：16-19.

［10］龐通，鄧國紅，楊鄂川，等.某乘用車側(cè)面碰撞性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，（12）：22-28.

修改稿日期：2015-04-02

Simulation Analysison Side Im pact for Pure Electric Bus Based on American Standard

Wang Song，ChenWanping，JiXubei
（Automotive Engineering Research Institute，BYDAuto Industry Company Limited，Shenzhen 518000，China）

Theside impact finite elementmodelofa pure electric bus isestablished，and the side impactsimulation analysis for the bus is conducted in accordance with the standard about the bus side impact test constituted by American Public Transportation Association（APTA）.The side impactsafety of the bus is evaluated by the safety of passengersand thesafetyofbatteries，then thestructureof thebus is improved.

pureelectric bus；American standard；side impact

U469.72；U 467.1+4

B

1006-3331（2015）04-0017-03

王松（1985-），男，碩士；結(jié)構(gòu)分析工程師；主要從事電動客車結(jié)構(gòu)有限元分析工作。