新能源汽車全塑結構在防撞安全性提高中的應用

喬玉杏 田立然

摘要：近年來，為響應國家節(jié)能號召，新能源汽車被廣泛應用起來。高分子材料結構汽車作為一種低能耗、零排放的全新制造理念逐漸成為研究熱點，目前塑料高分子材料僅作為零部件用于汽車制造中，因此本文提出一種全塑結構新能源汽車，并對其防撞安全性進行研究。

關鍵詞：工程塑料;逆向工程;三維模型;新能源汽車

引言

當下我國持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出使得不可再生材料的使用開始減少，一些機械制造行業(yè)開展尋求新的能源替代產品。在汽車行業(yè)，新能源汽車理念的提出是對我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的積極響應，其中新能源汽車的全塑結構是其結構亮點，這種全塑結構抗腐蝕、耐熱等性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬結構，為了應對當下頻繁的交通事故，文章對新能源汽車全塑結構在防撞安全性提高中的應用進行分析，旨在為進一步優(yōu)化新能源汽車全塑結構提供有力參考。

1新能源汽車三維建模

1.1建立新能源汽車逆向三維模型前處理

逆向工程（RE）是一種根據對產品目標進行分型，逆向再現該產品設計特點的技術，主要應用于在不了解產品生產及設計過程的前提下，根據成品實物推理出產品三維幾何模型及設計過程的硬件分析，可縮短新產品設計周期，降低企業(yè)開發(fā)成本及風險。下面對建立新能源汽車硬質聚酰胺泡沫材料全塑結構逆向三維幾何模型前處理步驟進行說明。

1.1.1整車拆卸

根據汽車不同部件結構特點，采用低價值部件破壞性拆卸，重要部分零件非破壞性拆卸，盡量減小重構模型誤差的方式進行拆卸，拆卸完成后可得到車身、底盤、動力系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和其他附件。

1.1.2數據采集

使用測量設備測定并收集零部件表面的三維數據，形成初步三維模型坐標。其中結構簡單規(guī)則的平面零部件數據采集可采用接觸式測量方式，即采用傳感器探頭直接與被測零部件接觸，測距儀等測量工具進行測量，完成標準件安裝孔位等數據的精確測量和收集，該過程工作量巨大，檢測精度高;復雜曲面零部件表面數據采集可采用非接觸式測量設備，即利用光線、聲波或電磁感應等測量原理，使設備和被測零部件表面產生相互作用采集大量密集的三維幾何數據，該過程需提前對零部件表面進行預處理。

1.1.3點云數據處理

采集到的三維數據坐標點集合為一組高密度散亂點云，因此在進行三維建模前，需對點云數據預處理，提高重構精度。具體過程為：

（1）去噪和濾波處理，在傳感器采集數據過程中，易出現噪聲和小幅度激光毛刺干擾，使用Geomagic Studio工程軟件對采集的云點數據進行濾波處理，去除噪聲及濾波干擾，使圖像表面更平滑，接近于真實狀態(tài)。

（2）拼合處理，汽車車身表面為大型復雜曲面，需通過多次、多角度測量完成全部數據采集，多視拼合處理即為將不同視圖轉換成數據形式匯總成完整信息。具體過程為首先將原始數據置于同一坐標系內進行粗拼接處理，再利用迭代優(yōu)化算法對坐標系參數進行旋轉或平移操作，實現精確拼接。

（3）精簡處理，高密度散亂點云坐標點集合中包含大量無用數據信息，對其進行精簡處理，可以減小計算機建模工作量，同時防止無用數據信息對建模過程產生干擾，提高三維幾何建模精度。

1.2新能源汽車三維模型重構

本文使用Siemens PLM Software公司推出的Uni-graphicsNX（UG）建模軟件進行逆向三維建模，首先通過數據點及幾何特征擬合出具有光順性和高精度的網格曲線，要求曲線位置與曲率值為連續(xù)變化、曲率變化和應變能均較小、無多余拐點;然后根據精度要求重構出曲面圖形。

2新能源汽車的全塑結構防撞安全有限元建模

利用LS-DYNA軟件的BT單元在非全積分算法的支持下，對相應的薄壁單元的結構變化實時監(jiān)督，對相應的結構變化分析。實際的有限元模型當中，汽車各個零件中的絕大部分零件都屬于薄壁結構，選擇薄壁結構網格單元可以實現對各個汽車零的管理和分析，以薄壁結構網格單元作為支持，解決實際工作中出現的彎曲和變形現象。網格自身的質量和有限元建模自身的實際精度有著直接的關系，其網格自身的各項數據例如網格尺寸、密度等都對有限元進度有直接影響。網格自身的尺寸較小、密度較大，則其實際的質量也就有保障。多邊形結構部件碰撞后翹曲變形大，要增加單元網格量。

3新能源汽車全塑結構碰分析

以LS-DYNA系統(tǒng)化軟件當中的BT單元作為技術支持，對相應的新能源汽車碰撞有限元進行建模并對模型進行分析，將實際的建模獲取數據傳輸到Hyperview軟件當中對各項數據進行切實的分析。新能源汽車自身的車身塑料結構存在較大的變形，且變形集中在汽車前端，由車身前端嚴重的翹曲變化可以得出新能源汽車的材料還存在一定的不足。受汽車生產材料的影響，不同材料的彈性不同汽車撞擊后的損壞程度、危險程度也不同。例如，硬質聚酰胺泡沫具有良好的彈性模量，相應的汽車碰撞之后，材料可以少量回彈，進而減少碰撞過程中產生沖擊力，減輕車內乘客受到的危害。此外，新能源汽車保險杠距離電池較近，碰撞發(fā)生后會對電池造成不同程度的威脅，考慮到汽車電氣系統(tǒng)的安全性，保險杠的潰縮變形不能過大。仿真結果顯示保險杠塑性結構潰縮變形并不明顯，因此硬質聚酰胺泡沫材料可以應用到新能源汽車結構上，其本身具有足夠的強度，且能夠吸收大量碰撞能量。

3新能源汽車全塑結構的防撞優(yōu)化

綜上所述，通過對新能源汽車的全塑性結構以及主要的零件進行建模分析，得到碰撞發(fā)生后零件的內能變化及碰撞性能分析，并以數據和仿真結構作為依據提出以下具體優(yōu)化方案：

3.1提高塑性結構厚度

塑料材質本身具有良好的彈性，在汽車發(fā)生碰撞后能夠吸收碰撞能量，但是塑料材質不同于金屬材料，其整體強度較弱，優(yōu)化新能源汽車結構可以提高汽車塑料材料的厚度或者增加吸能部件，進而提高汽車的防撞安全性。

3.2加固保險杠或改變電池位置

新能源汽車保險杠近距離電池距離較近，一旦發(fā)生碰撞事故之后，很有可能威脅到的汽車的電氣系統(tǒng)，為了減小碰撞對電池結構的威脅，可以通過在新能源汽車的保險杠進行必要的優(yōu)化改善，通過在保險杠當中加入剛性材料，從而提高新能源汽車在發(fā)生碰撞后產生的變形量?？梢詫ζ嚨碾姵亟Y構進行必要的調整，將電池設置在原理碰撞高發(fā)區(qū)的前部，將其安裝到保險杠當中加入剛性，從而減緩汽車碰撞過程當中產生的沖擊加速;此外，還可以改變汽車的電池結構位置，將其安裝在汽車碰撞變形影響最小的三角區(qū)域，保障汽車電氣系統(tǒng)的安全性。

4結束語

綜上所述，高分子材料結構汽車作為一種低能耗、零排放的全新制造理念逐漸成為研究熱點，目前塑料高分子材料僅作為零部件用于汽車制造中，對于新能源汽車全塑結構在防撞安全性提高中的應用分析，要認識到新能源汽車和傳統(tǒng)汽車的區(qū)別，當下不可再生能源緊缺的背景將新能源汽車的使用推向高潮，只有充分的提高新能源汽車的安全性，才能夠切實的促進新能源汽車的長久發(fā)展。

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