電動(dòng)汽車(chē)側(cè)面碰撞仿真與優(yōu)化

馮曉明，趙　強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

?

電動(dòng)汽車(chē)側(cè)面碰撞仿真與優(yōu)化

馮曉明，趙強(qiáng)*

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

建立某款電動(dòng)車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，采用正交試驗(yàn)的方法，把對(duì)影響車(chē)身側(cè)碰性能的部件材料和厚度作為設(shè)計(jì)變量，將側(cè)碰改進(jìn)問(wèn)題歸納成一個(gè)4因素3水平的優(yōu)化問(wèn)題，得出不同的設(shè)計(jì)方案，用后處理軟件進(jìn)行碰撞仿真分析，并運(yùn)用極差分析法和矩陣權(quán)重分析法整理和分析試驗(yàn)結(jié)果，找到顯著影響側(cè)碰性能的部件，制定合適的改進(jìn)方案，提升車(chē)身側(cè)碰安全性。為改善左后車(chē)門(mén)前柱耐撞性，提高汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性能提供一定參考。

側(cè)面碰撞；正交優(yōu)化；仿真分析

0　引　言

我國(guó)發(fā)生的交通事故中，碰撞事故是主要事故形態(tài)[1]。作為發(fā)生概率僅次于正面碰撞的碰撞事故形式，側(cè)面碰撞越來(lái)越受到廣大汽車(chē)制造商和研究院的關(guān)注[2-4]。

電動(dòng)車(chē)能源利用高、節(jié)能減排效果好，其研究和開(kāi)發(fā)受到越來(lái)越多的國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)的重視[5]。電動(dòng)車(chē)由于有電池、電機(jī)等部件的存在，與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布等存在差異，電池、電線的結(jié)構(gòu)布置也為被動(dòng)安全設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度。所以在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行碰撞分析時(shí)，需要考慮電線漏電、電池受損等特殊情況[6]。因此，改善電動(dòng)車(chē)的側(cè)面碰撞安全性能，具有重要意義。試驗(yàn)有整車(chē)試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬[7]。20世紀(jì)60年代，美國(guó)就應(yīng)用了計(jì)算機(jī)模擬碰撞這項(xiàng)技術(shù)[8]。國(guó)外側(cè)面碰撞的研究主要集中在汽車(chē)側(cè)面結(jié)構(gòu)吸能特性[9]和人體響應(yīng)方面[10]。由于整車(chē)試驗(yàn)具有破壞性而且十分昂貴，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與有限元仿真結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)，再用數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，使數(shù)據(jù)更有說(shuō)服力，能夠節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)，在減少計(jì)算次數(shù)同時(shí)找到對(duì)側(cè)碰安全性能影響顯著的零件，對(duì)改進(jìn)方向有重要的指導(dǎo)意義。因此，針對(duì)正在開(kāi)發(fā)中的某電動(dòng)車(chē)為例，在驗(yàn)證有限元模型的有效性基礎(chǔ)上，用正交試驗(yàn)的方法對(duì)關(guān)鍵部件的材料和厚度進(jìn)行優(yōu)化，提高其側(cè)面碰撞安全性能。

1　電動(dòng)車(chē)整車(chē)碰撞模型的建立與驗(yàn)證

1.1整車(chē)模型

這是一款四門(mén)五座的電動(dòng)車(chē)，采用無(wú)B柱車(chē)身設(shè)計(jì)。本次仿真分析中，主要采用Ansa前處理軟件，Ls-Dyna求解器和Hyperview后處理器。整車(chē)碰撞仿真模擬，必須真實(shí)的模擬實(shí)車(chē)碰撞時(shí)的狀態(tài)，要模擬實(shí)車(chē)各總成之間的連接，按照其實(shí)際材料特性、密度和質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在本次模擬中，點(diǎn)焊采用spotsweld，縫焊、保護(hù)焊、鉚接、螺栓連接以及鉸接采用剛性連接，不考慮這些連接的失效問(wèn)題。該整車(chē)有1580801單元，三角形比率為2.1%，沒(méi)有超過(guò)10%，符合行業(yè)規(guī)定。

按照GB20071-2006法規(guī)要求，移動(dòng)變形壁障的縱向中垂面軌跡應(yīng)垂直于被撞車(chē)輛的縱向中垂面。移動(dòng)變形壁障的縱向中垂面與試驗(yàn)車(chē)輛上通過(guò)碰撞側(cè)前排座椅“R”點(diǎn)的橫斷面之間的距離應(yīng)在±25 mm內(nèi)，初始速度為50 km/h[11]。仿真時(shí)間設(shè)置為120 ms。整車(chē)側(cè)碰模型如圖1所示。

圖1　整車(chē)側(cè)碰模型Fig.1 Vehicle side impact model

1.2模型驗(yàn)證

側(cè)面碰撞過(guò)程中，模型的碰撞能量變化曲線如圖2所示，從圖2中看出碰撞模型能量的構(gòu)成情況趨于合理，碰撞過(guò)程系統(tǒng)的總能量基本保持不變，各能量之間的比例與實(shí)際情況吻合，能量曲線平滑無(wú)尖角。通過(guò)圖3可知沙漏能最大不到總能量的5%，達(dá)到了模型分析標(biāo)準(zhǔn)的要求。由此說(shuō)明此仿真模型的計(jì)算結(jié)果是可信的。

圖2　碰撞能量變化曲線Fig.2 Collision energy change curve

圖3　沙漏能比率Fig.3 Hourglass energy ratio

2　考核指標(biāo)

在側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性分析中，左后車(chē)門(mén)前柱直接影響碰撞時(shí)乘員的損傷情況。需要關(guān)注其侵入量和侵入速度，用以考核車(chē)輛的碰撞結(jié)構(gòu)安全性。以左后車(chē)門(mén)前柱上部某點(diǎn)峰值侵入量、侵入速度作為考核指標(biāo)。

3　優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1優(yōu)化對(duì)象的選取

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和該車(chē)的實(shí)際情況，選取4個(gè)零件作為優(yōu)化對(duì)象，如圖4所示。如果這些零件的厚度和材料選擇不當(dāng)，導(dǎo)致零件過(guò)硬，碰撞能量不能通過(guò)其變形吸收而迅速傳遞到乘員身上；如果零件過(guò)軟，導(dǎo)致碰撞時(shí)零件變形過(guò)大，壓縮乘車(chē)空間對(duì)乘員造成更大的傷害，所以選擇合適的材料和厚度對(duì)改善側(cè)碰安全性很有必要。試驗(yàn)定義左后車(chē)門(mén)前柱上部某點(diǎn)處峰值侵入量和侵入速度為試驗(yàn)考察指標(biāo)，零件的厚度和材料強(qiáng)度為試驗(yàn)影響因素。

圖4　優(yōu)化對(duì)象Fig.4 Optimization object　　注：A-左后車(chē)門(mén)前柱外板，B-左后車(chē)門(mén)前柱加強(qiáng)版，C-左后車(chē)門(mén)前柱內(nèi)板，D-左前車(chē)門(mén)防撞梁

選擇3種代表性材料作為防撞梁材料的3個(gè)水平。3種材料的基本屬性見(jiàn)表1。把零件的原始厚度分別增加20%和減少20%作為厚度的3個(gè)水平，4個(gè)試驗(yàn)因素分別是左后車(chē)門(mén)前柱外板厚度、加強(qiáng)板厚度、內(nèi)板厚度以及左前車(chē)門(mén)防撞梁材料，分別用a、b、c、d表示，見(jiàn)表2。

表1　材料試驗(yàn)因素

表2　試驗(yàn)因素

3.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

上面的優(yōu)化問(wèn)題中實(shí)質(zhì)上這是一個(gè)4因素3水平的優(yōu)化問(wèn)題。如果采用全因子的試驗(yàn)方法，即將各種可能的組合都進(jìn)行仿真計(jì)算，這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)信息量大。因此，引入正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。該方法試驗(yàn)次數(shù)少，選取的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻且結(jié)論可靠[12]。

表3　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)該車(chē)的碰撞優(yōu)化問(wèn)題構(gòu)建了下面的正交表，按照表中利用Ansa依次對(duì)模型進(jìn)行修改，用 Ls-Dyna對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，然后使用 HyperView得到考察點(diǎn)的試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果，并將表3對(duì)應(yīng)補(bǔ)充完整，特別說(shuō)明侵入量和侵入速度都取汽車(chē)側(cè)碰方向的值。

3.3優(yōu)化方案結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案的計(jì)算，得到了9種方案的侵入量和侵入速度的數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。顯著性分析是指分析試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)效應(yīng)的影響程度，根據(jù)顯著性程度判斷出試驗(yàn)因素的主次順序。從而合理的控制試驗(yàn)因素的影響效應(yīng)，提出接近優(yōu)化目標(biāo)的方案。

可以采用極差分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先計(jì)算試驗(yàn)指標(biāo)在各因素各水平下的所有值的平均值，用Ki代表。接著計(jì)算極差，用N表示，指Ki中的最大值與最小值的差。極差越大，該因素對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的影響越重要。所以極差大小次序就代表了因素主次順序。

對(duì)于該試驗(yàn)，包含4因素3水平，因此影響峰值侵入量和侵入速度的每個(gè)因素有3個(gè)水平平均值K1、K2、K3。試驗(yàn)中各因素水平對(duì)峰值侵入量影響的極差分析情況見(jiàn)表4，各因素水平對(duì)峰值侵入速度影響的極差分析情況見(jiàn)表5。

表4　峰值侵入量極差分析表

表5　峰值侵入速度極差分析表

參照表4中峰值侵入量得到影響左后車(chē)門(mén)前柱上部某點(diǎn)處峰值侵入量的各因素的主次順序?yàn)閏>a>b>d，相應(yīng)的最優(yōu)因素水平為c2，a1，b3，d3；同樣由表5得到影響左后車(chē)門(mén)前柱上部某點(diǎn)處峰值侵入速度的各因素的主次順序?yàn)閍>d>b>c，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)因素水平為a1，d2，b3，c2。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)考察指標(biāo)的最佳試驗(yàn)條件是不一致的，且d因素的水平選擇不一致，嘗試使用矩陣型權(quán)重優(yōu)化法來(lái)確定而獲得最優(yōu)方案。

矩陣型權(quán)重優(yōu)化方法[13-16]是根據(jù)正交試驗(yàn)考察的指標(biāo)、因素和水平的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)三層的分析模型來(lái)構(gòu)造權(quán)重矩陣，見(jiàn)表6，分別表示指標(biāo)層、因素層和水平層，且根據(jù)的是有p個(gè)因素，每個(gè)因素有q個(gè)水平的正交試驗(yàn)。

表6　正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

第一步構(gòu)造試驗(yàn)指標(biāo)第一層的矩陣，定義正交試驗(yàn)p個(gè)因素中的第i個(gè)因素Aj，在第j個(gè)水平上的試驗(yàn)考察指標(biāo)的算術(shù)平均值為kij，若試驗(yàn)考察指標(biāo)的效應(yīng)為越大越好時(shí)，則Kij=kij；反之，則Kij=1/kij，構(gòu)造的第一層矩陣為L(zhǎng)：

定義各個(gè)因素及各個(gè)水平影響試驗(yàn)考察指標(biāo)效應(yīng)的總權(quán)重矩陣為：W=LMN,W=[W1W2…Wq]T。

由于兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)均追求越小越好，因此取Kij=1kij。以下是兩個(gè)指標(biāo)的六個(gè)矩陣因子L侵入量，L侵入速度，M侵入量，M侵入速度，N侵入量，N侵入速度：

由總權(quán)重矩陣可以得到各個(gè)因素水平的權(quán)重值，值越大代表該因素該水平對(duì)于指標(biāo)優(yōu)化越好。通過(guò)其大小比較可得到上述影響左后車(chē)門(mén)前柱上部某點(diǎn)處側(cè)碰指標(biāo)的4個(gè)因素的主次順序?yàn)椋篴>c>b>d，且相對(duì)應(yīng)的權(quán)重最大的水平為a1，c2，b3，d2。因此最后確定的最佳方案是a1，b3，c2，d2，即 左后車(chē)門(mén)前柱外板厚1.2 mm，加強(qiáng)板厚2.4 mm，內(nèi)板厚2 mm，左前車(chē)門(mén)防撞梁的材料用AL6082。將最初模型按照優(yōu)化方案來(lái)定義和修改，然后進(jìn)行仿真驗(yàn)證優(yōu)化效果。

4　優(yōu)化方案的驗(yàn)證

取左后車(chē)門(mén)前柱4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，位置分別處于中上部、中部、中下部和下部，測(cè)出改進(jìn)方案的左后車(chē)門(mén)前柱峰值侵入量和峰值侵入速度。從圖5和圖6可以看到，實(shí)線所示的為改進(jìn)方案的左后車(chē)門(mén)前柱侵入量、侵入速度均有所下降，提高了整車(chē)的側(cè)碰安全性能。

圖5　左后車(chē)門(mén)前柱峰值侵入量Fig.5 Peak intrusion for the pillar of the left rear door

圖6　左后車(chē)門(mén)前柱峰值侵入速度Fig.6 Peak intrusion velocity for the pillar of the left rear door

圖7是左后車(chē)門(mén)前柱4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量?jī)?yōu)化前后對(duì)比曲線，所有粗線代表原系統(tǒng)模型的指標(biāo)值走勢(shì)，相應(yīng)的細(xì)線代表優(yōu)化后模型的指標(biāo)值走勢(shì)。所有關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量的改進(jìn)方案都比原始方案要小，表明優(yōu)化方案成功。

圖8是120 ms這個(gè)時(shí)刻左后車(chē)門(mén)前柱侵入模式云圖，圖左為優(yōu)化前，圖右為優(yōu)化后，從圖上可以看出，沿側(cè)碰方向最大侵入量由276.2 mm下降到263.1 mm，起到了優(yōu)化的效果。

圖7　左后車(chē)門(mén)前柱關(guān)鍵點(diǎn)侵入量對(duì)比圖Fig.7 Comparison of pillar intrusion of the key points in the left rear door

圖8　優(yōu)化前后左后車(chē)門(mén)前柱侵入模式云圖Fig.8 Left rear door’s pillar intrusion contour before and after optimization

5　結(jié)　論

(1)通過(guò)有限元仿真與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，找到影響整車(chē)側(cè)面碰撞性能的關(guān)鍵因素，即左后車(chē)門(mén)前柱外板厚度，指明了改進(jìn)方案的方向，提高優(yōu)化的效率，使優(yōu)化效果顯著。

(2)車(chē)體側(cè)面結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件的材料和厚度對(duì)整車(chē)側(cè)碰性能影響很大，在不影響成本的前提下，關(guān)鍵零件選擇合適的材料強(qiáng)度和厚度，可以減輕對(duì)乘員帶來(lái)的傷害，能夠很好的改善整車(chē)的側(cè)面碰撞安全性能。

(3)本文側(cè)碰指標(biāo)的數(shù)據(jù)，對(duì)日后結(jié)合假人模型試驗(yàn)、減小對(duì)假人的傷害有所幫助，使研究結(jié)果具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1]2010年中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)[Z].公安部交通管理局，2011.

[2]Tylko S，German A，Dalmotas D，et al.Improving side impact protection：Response of the ES-2re and worldsid in a proposed Harmonized pole test[A].2006 International IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impact[C]，2006.Accession number：01131699.

[3]Winkelbauer D，Miller II P M，Kaleto H A.FMVSS 214 Dynamic NPRM-An overview of the new procedure，component -level development tests，and vehicle design changes[R].SAE paper No.0742，2005.

[4]李文，劉鋼，劉旌揚(yáng).仿真技術(shù)在汽車(chē)結(jié)構(gòu)側(cè)面碰撞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車(chē)技術(shù)，2012(3)：35-38.

[5]曹誠(chéng).基于側(cè)面碰撞安全性的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[6]姜衛(wèi)遠(yuǎn).基于拓?fù)鋬?yōu)化的電動(dòng)汽車(chē)新概念車(chē)身設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[7]胡志強(qiáng)，王大志，蘇醒，等.利用側(cè)面安全氣囊提高乘員保護(hù)效果的研究[A].2008 中國(guó)汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集[C].上海：中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)，2008：134-139.

[8]唐虹斌.某轎車(chē)側(cè)面碰撞車(chē)體結(jié)構(gòu)性能研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

[9]Ruan J S，Khalil T，King A I.Human head dynamic response to side impact by finite element modeling[J].Journal of Biomechanical Engineering，1999，113(3)：276-283.

[10]Marklund P O，Nilsson L.Optimization of a car body component subjected to side impact[J].Industrial Application and Case Studies-Structural and Multidisciplinary Optimization，2001，21(5)：383-392.

[11]中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心.GB20071-2006汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S].

[12]陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[13]周玉珠.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的矩陣分析方法[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2009(2)：202-207.

[14]徐樹(shù)柏.使用決策方法-層次分析法原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，1991.

[15]張鳳祥.線性代數(shù)[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2001.

[16]鄭少華，姜鳳華.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國(guó)建材出版社，2004.

Side Impact Simulation and Optimization of Electric Vehicles

Feng Xiaoming，Zhao Qiang*

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

A new electric vehicle side impact simulation model was established and the simulation results were analyzed and validated .The component material and thickness that have influence on the performance of side impact were used as the design variables to form an optimum problem with four factors and three levels based on the method of orthogonal experiment.The postprocessor was used for collision simulation analysis.Based on extreme difference analysis and matrix attribute weights analysis，the most effective component on side impact crashworthiness was identified．The improvement plan was proposed in order to enhance the performance of side collision by sorting and analyzing the test results.The study will provide

for the improvement of the crashworthiness of the left rear car door’s front pillar and vehicle side impact safety.

side impact；orthogonal optimization；simulation analysis

2016-01-25

黑龍江省留學(xué)歸國(guó)人員科學(xué)基金(LC2015019)

馮曉明，碩士研究生。研究方向：汽車(chē)NVH與安全性技術(shù)。

趙強(qiáng)，博士，教授。研究方向：載運(yùn)工具裝備設(shè)計(jì)與功能創(chuàng)新。E-mail：qyangzhao@163.com

馮曉明，趙強(qiáng).電動(dòng)汽車(chē)側(cè)面碰撞仿真與優(yōu)化[J].森林工程，2016，32(5)：59-64.

U 465.72

A

1001-005X(2016)05-0059-06