一種基于IIHS偏置碰的創(chuàng)新型電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)

劉新春，梁茂燕

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一種基于IIHS偏置碰的創(chuàng)新型電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)

劉新春1，梁茂燕2

（1.比亞迪汽車工業(yè)有限公司車身部，廣東 深圳 518118；2.比亞迪汽車工業(yè)有限公司CAE部，廣東 深圳 518118）

某車型美版電動(dòng)汽車是在其國內(nèi)版車身的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)，相對原車型，新的車身設(shè)計(jì)主要存在以下兩大技術(shù)難點(diǎn)：1.電池包等新能源高壓零部件部件的安裝，不僅增加了整車重量，還占據(jù)大量的結(jié)構(gòu)空間，使的碰撞向后的傳力路徑設(shè)計(jì)受限，嚴(yán)重增大設(shè)計(jì)難度；2.美國作為汽車強(qiáng)國，其相關(guān)碰撞標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)完善，工況及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)苛，顯著高于國內(nèi)碰撞安全法規(guī)，其中尤以美國高速公路協(xié)會(huì)的IIHS評價(jià)為甚。文章結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助仿真技術(shù)，通過對車身結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新規(guī)劃設(shè)計(jì)，特別是一種新型閉環(huán)梁的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一款可以獲得美國IIHS偏置碰車身結(jié)構(gòu)GOOD評價(jià)的純電動(dòng)車身。

IIHS偏置碰；電動(dòng)汽車；車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前言

在車輛，尤其是乘用車的交通事故中最大程度地減少乘員的死亡率和受傷程度是乘用車整車研發(fā)和制造的核心技術(shù)。其中，車身結(jié)構(gòu)碰撞安全中變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是提高整車碰撞安全性能的基礎(chǔ)。隨著家用乘用車在全球市場的普及，傳統(tǒng)燃油車排放帶來的環(huán)保問題越來越嚴(yán)重，各國都在積極的開發(fā)新能源汽車。而電動(dòng)汽車作為新能源汽車的一個(gè)方向正在成為未來的趨勢。美國作為全球第二大新車銷量大國，進(jìn)入其市場并取得較好份額是每一個(gè)汽車企業(yè)夢寐以求的夢想。

近年來隨著電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展，電動(dòng)車競爭越來越激烈，電動(dòng)汽車除了要考慮傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)，還需要考慮較高的續(xù)航里程，以打消消費(fèi)者的里程焦慮，獲得與傳統(tǒng)燃油車的競爭力。為了提升續(xù)航距離，電動(dòng)汽車需要配備更加多的動(dòng)力電池，相比同樣規(guī)格的燃油車，電動(dòng)汽車會(huì)大幅度地增加整車重量，這就導(dǎo)致在同樣條件下，車輛的碰撞初期整車動(dòng)能的增加，也就說，電動(dòng)汽車的車身結(jié)構(gòu)需要能夠承擔(dān)更大的力和吸收更多的運(yùn)動(dòng)能量來提升安全性。而且在電動(dòng)汽車中，由于需要布置更多的動(dòng)力電池，大量車身下部的空間被占用，傳統(tǒng)燃油車的各種經(jīng)典的車身碰撞安全結(jié)構(gòu)技術(shù)無法使用。另外電動(dòng)車前艙內(nèi)零部件及其布置也與傳動(dòng)燃油車大不相同，零部件之間碰撞的管理以及對前圍板侵入的影響也需要重新設(shè)計(jì)定義。

某車型作為針對美國市場開發(fā)的電動(dòng)車，定位較高，要求能夠獲得美國市場法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的最高評價(jià)，行業(yè)幾無相應(yīng)車型可以參考，因此需要?jiǎng)?chuàng)新的設(shè)計(jì)一種既能滿足電動(dòng)車的相關(guān)要求又能滿足美標(biāo)最高評價(jià)的車身結(jié)構(gòu)。本文基于IIHS 偏置碰工況，從目標(biāo)要求到方法過程，講述滿足上述要求的某車型車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路歷程。

1 目標(biāo)和要求

1.1 車型總體要求

基于國內(nèi)版基礎(chǔ)車型，在滿足續(xù)航里程要求的前提下，開發(fā)出能滿足美國市場FMVSS法規(guī)，能夠獲得 US-NCAP五星評價(jià)，IIHS TOP SAFETY PICK+評價(jià)的電動(dòng)車。

1.2 車身結(jié)構(gòu)目標(biāo)

本文主要針對IIHS偏置碰進(jìn)行研究，為了達(dá)到整車設(shè)計(jì)目標(biāo)，在IIHS偏置碰GOOD評價(jià)要求（見圖1）的基礎(chǔ)上，通過對IIHS試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中優(yōu)秀車型車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合約束系統(tǒng)的實(shí)際情況，將車身結(jié)構(gòu)侵入量目標(biāo)定義如下表1：

圖1 IIHS 偏置碰工況車身結(jié)構(gòu)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表1 某車型IIHS偏置碰工況車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2 方法和過程

2.1 偏置碰優(yōu)化策略

在汽車前面碰撞中，車身在保證乘員足夠生存空間的前提下，也要避免較大的碰撞加速度，以利于后期約束系統(tǒng)的匹配，避免乘員的二次傷害。這就要求車身既要有足夠的強(qiáng)度來保證車身乘員艙的穩(wěn)定性，又要通過前艙區(qū)域有效的變形來吸收一部分能量以使較少的能量向后側(cè)傳遞，并控制合理的整車加速度。所以就需要合理定義變形區(qū)域并規(guī)劃控制各區(qū)域的加速度。

2.1.1變形區(qū)域分析定義

根據(jù)前艙的布置情況，某車型車身的可變形吸能區(qū)域分析定義如下圖2示意：

圖2 前艙布置情況及車身吸能空間分析圖

S1為前防撞梁到電機(jī)前安裝橫梁之間區(qū)域，可以設(shè)計(jì)潰縮吸能，是某車型主要的變形吸能空間；S2區(qū)域?yàn)殡姍C(jī)前橫梁與前副車架安裝座重疊區(qū)域，因?yàn)樵O(shè)計(jì)強(qiáng)度較高，無法變形；S3區(qū)域位于電機(jī)前安裝橫梁與電機(jī)后安裝橫梁之間，可以與S1區(qū)域進(jìn)行配合變形吸能；S4區(qū)域從電機(jī)安裝后橫梁到前圍板，因?yàn)榍芭摬贾煤蛙嚿斫Y(jié)構(gòu)的原因此區(qū)域的變形對成員艙的侵入量影響很大，故定義為不可變形區(qū)域；S5區(qū)域，為車身結(jié)構(gòu)向乘員艙內(nèi)的侵入?yún)^(qū)域，按照初始目標(biāo)的定義，此區(qū)域的最大變形量要求小于100mm。

2.1.2變形過程規(guī)劃

G-D曲線是計(jì)算機(jī)輔助仿真中的一種比較好的展現(xiàn)變形過程的曲線圖。它可以展示出不同碰撞進(jìn)程中在不同變形距離時(shí)的車身加速度情況，如下圖3是某車型基礎(chǔ)車型摸底G-D曲線，以及目標(biāo)的G-D曲線。

圖3 某車型基礎(chǔ)車型及規(guī)劃目標(biāo)G-D曲線示意圖

如上圖3所示某車型期望通過在基礎(chǔ)車型上，通過提高碰撞前期的的車身加速度，加強(qiáng)乘員艙的強(qiáng)度的方式來減少乘員艙的侵入量及控制車身最高加速度。

偏置碰的G-D目標(biāo)曲線可以在正碰工況的基礎(chǔ)上優(yōu)化，需要協(xié)調(diào)正碰與偏置碰的關(guān)系以同時(shí)取得較好的碰撞效果。相關(guān)內(nèi)容非本文重點(diǎn)，不再贅述。

2.2 傳力路徑設(shè)計(jì)優(yōu)化

經(jīng)典車型偏置碰力的傳遞一般分為以下三條路徑：a.通過前防撞梁、前縱梁以及前副車架傳遞到地板下面梁；b.車輪撞擊通過A柱和門檻向整個(gè)側(cè)門框傳遞；c.通過動(dòng)機(jī)總成等前艙部件向乘員艙前圍板傳遞。結(jié)合某車型的傳力路徑設(shè)計(jì)優(yōu)化情況，本文主要探討路徑a的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.2.1基礎(chǔ)車型車身情況

圖4 基礎(chǔ)車型車身偏置碰傳力示意圖

圖5 基礎(chǔ)車型車身偏置碰傳力路徑示意框圖

基礎(chǔ)車型在偏置碰撞時(shí)的傳力路徑示意圖和示意框圖如下圖4和5所示，壁障撞擊前防撞梁后，通過前艙左縱梁向后傳遞給電池包安裝前橫梁，位于其兩側(cè)的前艙左縱梁左/右連接板也輔助向電池包安裝前橫梁傳力，電池包安裝前橫梁通過電池包安裝左橫梁和左門檻梁向后方傳力，同時(shí)前艙左縱梁左連接板也能通過左門檻梁向后傳力。

從上圖4可以看出，因?yàn)殡姵匕贾谜紦?jù)了大量的空間，地板下的經(jīng)典傳力路徑已無法設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)車型采用電池包安裝前橫梁與電池包安裝左/右縱梁以及門檻梁相互形成的框架結(jié)構(gòu)來保護(hù)乘員艙和電池的安全。針對常規(guī)的碰撞工況，此種結(jié)構(gòu)已足夠應(yīng)對，但面對更為嚴(yán)苛的IIHS的偏置碰工況，因?yàn)橄蚝蟮膫髁Σ蝗缛加蛙嚱?jīng)典結(jié)構(gòu)有效率，前部吸能有限的情況下，較大的碰撞能量會(huì)導(dǎo)致前艙縱梁后端彎折向前圍板侵入，特別是下部侵入嚴(yán)重，如下圖6和7圓圈內(nèi)所示。所以需要?jiǎng)?chuàng)新的提出一種結(jié)構(gòu)，能夠解決前艙縱梁后端彎折并能有效降低前圍板的侵入。

圖6 基礎(chǔ)車型車身IIHS偏置碰縱梁彎折示意圖

圖7 基礎(chǔ)車型車身IIHS偏置碰前圍板侵入示意圖

2.2.2傳力路徑優(yōu)化

根據(jù)基礎(chǔ)車型摸底分析，決定在電池包安裝前橫梁前側(cè)新設(shè)計(jì)一根橫梁。如下圖8所示，新增加的橫梁與前艙左/右縱梁以及電池包安裝前橫梁形成封閉型閉環(huán)梁結(jié)構(gòu)，形成相互支撐，不僅能支撐前艙縱梁的彎折，還能阻擋前艙布置零部件向乘員艙內(nèi)的侵入，而且直接加強(qiáng)了前圍板，直接減少前圍板被入侵時(shí)向后的變形量。其優(yōu)化后的傳力路徑示意框圖如下圖9所示。

圖8 某車型基于IIHS偏置碰設(shè)計(jì)的創(chuàng)新型的閉環(huán)梁示意圖

圖9 某車型IIHS偏置碰優(yōu)化后傳力路徑示意框圖

2.3 關(guān)鍵車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1前艙縱梁的設(shè)計(jì)

在前碰設(shè)計(jì)中，吸能結(jié)構(gòu)的變形模式設(shè)計(jì)是其重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，其中前艙縱梁的變形模式設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。前艙縱梁的變形模式設(shè)計(jì)需要結(jié)合車型的情況具體分析設(shè)計(jì)。某車型根據(jù)如圖上2所示的前艙布置情況及車身吸能空間分析圖設(shè)計(jì)制定了如下圖11所示的縱梁變形模式。

圖10 某車型設(shè)計(jì)的前艙縱梁變形模式

圖11 某車型前艙縱梁引導(dǎo)筋位置設(shè)計(jì)

潰縮吸能區(qū)在縱梁的前部，在車身可變形區(qū)S1內(nèi)，通過設(shè)計(jì)如下圖11潰縮引導(dǎo)筋來實(shí)現(xiàn)潰縮；潰縮與折彎變形區(qū)橫跨可變形區(qū)S1，不可變形區(qū)S2，可變形區(qū)S3，為了使如圖10所示的折彎點(diǎn)2達(dá)到向外彎折的變形趨勢，在前艙縱梁設(shè)計(jì)折彎引導(dǎo)筋位置如下圖11所示。

2.3.2前圍板下橫梁的設(shè)計(jì)

作為新增的碰撞安全結(jié)構(gòu)，前圍板下橫梁是此次車身設(shè)計(jì)的重中之重。其位置的設(shè)計(jì)對乘員艙侵入量的變形量影響更是至關(guān)重要，本創(chuàng)新性車身結(jié)構(gòu)中前圍板下橫梁位置的設(shè)計(jì)主要從以下三個(gè)方面考慮：

2.3.2.1 相對于前艙縱梁的位置設(shè)計(jì)

圖12 某車型前圍板下橫梁相對于前艙縱梁的位置

如上圖12所示，為了避讓輪胎包絡(luò)，前艙縱梁一般在一段區(qū)域內(nèi)向內(nèi)彎曲。而在碰撞過程中，前艙縱梁一般會(huì)在折彎處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致此處發(fā)生折彎變形。所以前圍板下橫梁布置在前艙縱梁避讓輪胎包絡(luò)區(qū)域，并根據(jù)仿真進(jìn)行位置的優(yōu)化。

2.3.2.2 相對于法規(guī)踏板投影點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)

圖13 某車型前圍板下橫梁相對于法規(guī)踏板投影點(diǎn)的位置

分析IIHS的評價(jià)規(guī)范可以知道，制動(dòng)踏板中心點(diǎn)，以及其在前圍板上的左/右/中心投影點(diǎn)的侵入量是直接考核項(xiàng)。如上圖13某車型前圍板下橫梁相對于制動(dòng)踏板投影點(diǎn)的位置示意，通過將前圍板下橫梁布置在制動(dòng)踏板投影區(qū)域附近，可以直接減少前圍板變形，保護(hù)乘員的腳部、腿部，并能獲得IIHS較好的評價(jià)。

2.3.2.3 相對于前艙布置零部件的設(shè)計(jì)

圖14 某車型前圍板下橫梁相對于法規(guī)踏板投影點(diǎn)的位置

如上圖14所示，前艙布置著各種各樣的零部件，其布置方式與傳統(tǒng)燃油車完全不同，特別是電機(jī)相對靠下。前圍板下橫梁布置在前圍板的下部，能直接阻止前艙各零部件特別是電機(jī)在碰撞中向后移動(dòng)的對乘員艙的侵入。在電機(jī)向后運(yùn)動(dòng)的過程會(huì)撞擊轉(zhuǎn)向器向后移動(dòng)，不僅會(huì)使轉(zhuǎn)向器帶動(dòng)其在前圍板處的安裝結(jié)構(gòu)變形，還會(huì)使轉(zhuǎn)向盤向后移動(dòng)對駕駛員胸部和頭部構(gòu)成威脅。前圍板下橫梁設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)向管柱在前圍板的安裝點(diǎn)附近，可以直接加強(qiáng)此處結(jié)構(gòu)，減少前圍板的變形，從而減少上述風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

3 總結(jié)

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)論

（1）通過引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，前艙縱梁的變形達(dá)到了預(yù)設(shè)變形模式如圖15所示，預(yù)設(shè)的變形模式的實(shí)現(xiàn)不僅保證了整車穩(wěn)定的基礎(chǔ)，也顯著的保證的吸能規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)，提高了如下圖16標(biāo)識1處的加速度，顯著提高了碰撞過程中前部的吸能，避免更多的能量向乘員艙傳遞。

圖15 某車型前艙縱梁變形圖

圖16 某車型與基礎(chǔ)車型G-D曲線對比

（2）新設(shè)計(jì)的前圍板下橫梁是設(shè)計(jì)的核心，通過對其位置的合理設(shè)計(jì)不僅能有效阻擋前艙縱梁后端的彎折，還能直接減少IIHS制動(dòng)踏板前圍板投影點(diǎn)處的變形，如表2所示制動(dòng)踏板左投影、中心投影點(diǎn)、右投影點(diǎn)變形量分別為79、106、99，顯著小于獲取IIHS車身結(jié)構(gòu)GOOD評價(jià)的要求，保證此處獲得較好評價(jià)。

（3）新增加的前圍板下橫梁及其形成的閉環(huán)梁結(jié)構(gòu)，有效的增強(qiáng)了乘員艙的強(qiáng)度，如下圖15標(biāo)識2所示大幅減少了乘員艙的變形，相對原車型變形量減少120mm以上，給成員提供了一個(gè)穩(wěn)定和足夠安全的生存空間。

（4）如下表2所示，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到了車型初期制定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。如下圖17 IIHS偏置碰車身結(jié)構(gòu)評價(jià)圖所示，所有指標(biāo)均大幅超過獲得IIHS偏置碰車身結(jié)構(gòu)GOOD評價(jià)的要求。

表2 某車型IIHS偏置碰車身侵入量仿真結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)成果意義

（1）實(shí)現(xiàn)了公司電動(dòng)車IIHS偏置碰車身結(jié)構(gòu)GOOD評價(jià)從0到1的突破，開創(chuàng)的設(shè)計(jì)了一個(gè)新型純電動(dòng)車身結(jié)構(gòu)，為以后更多的車型實(shí)現(xiàn)IIHS偏置碰GOOD評價(jià)打下了理論基礎(chǔ)。

（2）中國保險(xiǎn)行業(yè)協(xié)會(huì)牽頭成立的中保研汽車技術(shù)研究院設(shè)計(jì)的評價(jià)規(guī)范相關(guān)工況與IIHS有較大相似，車身結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化應(yīng)用并支撐車身獲得中保研的GOOD評價(jià)。

（3）通過對其創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)的整理，申請了超過35個(gè)發(fā)明專利，目前已經(jīng)通過國家知識產(chǎn)權(quán)局的審核，并于2019年1月底開始公開。

[1] FMVSS Standard and TP.DOT[S].

[2] US NCAP Standard and TP.DOT[S].

[3] IIHS Standard and TP[S].

An Innovative design of Electric Vehicle Body Based on IIHS Offset Crash

Liu Xinchun1, Liang Maoyan2

( 1.Car Body Department BYD Auto Industry Co., Ltd, Guangdong Shenzhen 518118; 2.CAE Department BYD Auto Industry Co., Ltd, Guangdong Shenzhen 518118 )

The American Version Electric Vehicle is developed and designed on the basis of its domestic body. Compared with the original car, the new car body design has two major technical difficulties: 1. Installation of high-voltage components such as battery pack and other new energy sources, it not only increases the weight of the vehicle, but also occupies a lot of structural space. which limits the design of the backward force transmission path of the collision, which greatly increases the difficulty of design. 2.The United States, as a powerful automobile country, has well-developed laws and regulations on collision standards, operating conditions and evaluation standards, which are significantly higher than domestic collision safety regulations, particularly the IIHS assessment of the American Highway Association. This paper combines computer-aided simulation technology, through the innovative design of car body structure, especially the design of a new type of closed-loop beam, design a GOOD evaluation of the IIHS offset crash body structure in the United States.

IIHS offset crash; electric vehicle; car body structure

U469.72

B

1671-7988(2019)07-06-05

劉新春，男，技術(shù)主任工程師，中級工程師，就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司車身部，從事車身設(shè)計(jì)研究工作。

U469.72

A

1671-7988(2019)07-06-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.002