王松，陳婉平，紀(jì)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(dòng)客車側(cè)面碰撞仿真分析

王松，陳婉平，紀(jì)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(dòng)客車側(cè)面碰撞有限元模型，依照美國(guó)公共交通協(xié)會(huì)（APTA）制定的客車側(cè)面碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)客車進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析，從乘員安全和電池安全兩方面評(píng)價(jià)客車的側(cè)面碰撞安全性，并對(duì)客車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

純電動(dòng)客車；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)；側(cè)面碰撞

相比于燃油客車，純電動(dòng)客車在結(jié)構(gòu)防撞性上有更高的要求。這是因?yàn)樵谠馐茏矒魰r(shí)，電動(dòng)客車的車身結(jié)構(gòu)一方面應(yīng)能保護(hù)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(xiǎn)事故［1-2］。

對(duì)于客車結(jié)構(gòu)的防撞性，國(guó)外一些國(guó)家制定了一些相應(yīng)的安全性強(qiáng)制法規(guī)［3］，如美國(guó)公共交通協(xié)會(huì)（APTA）制定的關(guān)于公共交通工具的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)就對(duì)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(guó)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的一款純電動(dòng)客車為研究對(duì)象，依照APTA制定的關(guān)于公共汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)其進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析，評(píng)價(jià)客車的防撞性能，并評(píng)價(jià)電池在碰撞過(guò)程中的安全性，最后根據(jù)存在的問(wèn)題對(duì)客車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

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(zhǎng)×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(gè)行李艙和兩個(gè)電池艙，電池艙內(nèi)安裝著四組電池包，左右各兩組，對(duì)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(duì)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。碰撞分析對(duì)模型的網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，建模時(shí)應(yīng)將每個(gè)單元的最小邊長(zhǎng)、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(mén)和行李艙門(mén)是遭受碰撞的關(guān)鍵位置。艙門(mén)的建模應(yīng)符合其實(shí)際結(jié)構(gòu)。該車的艙門(mén)可以向上翻起打開(kāi)，建模時(shí)用一系列旋轉(zhuǎn)鉸模擬艙門(mén)上端的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用Rigid剛性連接模擬下端的鎖止機(jī)構(gòu)；另外，電池包也是碰撞過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。電池包由電池包蒙皮、電池包骨架和若干電池塊組成。對(duì)電池塊簡(jiǎn)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(jī)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(lái)簡(jiǎn)化建模［5］，通過(guò)在相應(yīng)關(guān)鍵字中輸入彈簧剛度和阻尼系數(shù)曲線來(lái)模擬空氣彈簧和減振器。輪胎用殼單元來(lái)建模，以氣囊的形式進(jìn)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(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變曲線。其中應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)仿真結(jié)果有重要影響，需要通過(guò)樣件拉伸試驗(yàn)獲取。此外，彈塑性材料在高速?zèng)_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(duì)整車模型進(jìn)行配重，使其重量、重心位置與實(shí)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(yàn)（TS23.2）進(jìn)行。

APTA關(guān)于公共汽車側(cè)面防撞性試驗(yàn)規(guī)定：客車的任何一側(cè)（不包括門(mén)的位置）在受到一個(gè)時(shí)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(duì)應(yīng)于乘客H點(diǎn)的位置不應(yīng)該有超過(guò)76.2mm（3 inch）的永久結(jié)構(gòu)變形［8］。

考慮到重量為1.8 t級(jí)的碰撞試驗(yàn)車的實(shí)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(duì)標(biāo)的移動(dòng)壁障FMVSS214 barrier作為等效側(cè)面碰撞試驗(yàn)車。保持該移動(dòng)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(qiáng)度薄弱且易發(fā)生危險(xiǎn)的電池艙和行李艙的位置進(jìn)行。將移動(dòng)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(duì)艙門(mén)，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(dòng)壁障速度40 km/h、客車輪胎與地面的初始滑動(dòng)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(jìn)

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

2.1可信性分析

碰撞的初始能量是移動(dòng)壁障的動(dòng)能，在碰撞的過(guò)程中，由于車身結(jié)構(gòu)以及移動(dòng)壁障蜂窩鋁的結(jié)構(gòu)變形，動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，動(dòng)能逐漸減少，而內(nèi)能逐漸增大；另外一部分是由數(shù)值計(jì)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(jì)算的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(zhǔn)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(guò)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(gè)計(jì)算過(guò)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(shuō)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(diǎn)對(duì)應(yīng)在車身上的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的侵入量曲線。H點(diǎn)是確定乘客在座椅中位置的參考點(diǎn)，它是軀干和大腿相連接的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。從圖4中可以看出，從發(fā)生碰撞開(kāi)始，測(cè)量點(diǎn)的侵入量開(kāi)始逐漸增大。到100ms時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的侵入量達(dá)到峰值37mm。之后，碰撞逐漸結(jié)束，移動(dòng)壁障與客車分離，客車左側(cè)圍開(kāi)始回彈，侵入量逐漸減小，到200ms時(shí)計(jì)算結(jié)束。由于測(cè)量點(diǎn)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(huì)小于37mm，遠(yuǎn)小于APTA的規(guī)定值76.2 mm，碰撞處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足APTA的側(cè)面碰撞要求。

車身上對(duì)應(yīng)于乘員H點(diǎn)處的永久結(jié)構(gòu)變形較小，是因?yàn)樵撥囅虏坎贾玫碾姵嘏撎Ц吡塑噧?nèi)地板高度，座椅較高而撞擊位置較低。受到側(cè)面碰撞時(shí)，客車下部的電池艙門(mén)和艙內(nèi)的電池包對(duì)抵抗移動(dòng)壁障的侵入起了主要作用，吸收了大部分碰撞能量，而艙門(mén)上方受到的影響較小，測(cè)量點(diǎn)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(gè)重要方面。可以以電池包骨架與電池塊之間是否產(chǎn)生接觸力來(lái)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(shí)刻產(chǎn)生并瞬間增大。在50ms的時(shí)候，接觸力達(dá)到最大值，約56 900N，隨后接觸力開(kāi)始減?。坏?0ms時(shí)，達(dá)到一個(gè)極小值，70ms后接觸力又逐漸增大；到80ms時(shí)，達(dá)到一個(gè)極大值后又開(kāi)始減小，之后接觸力逐漸減小，最終變?yōu)榱恪Ｔ谡麄€(gè)碰撞過(guò)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(dá)到了約56 900N，這說(shuō)明電池存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

以上是移動(dòng)壁障撞擊中間艙門(mén)的仿真結(jié)果。用同樣的方式將移動(dòng)壁障對(duì)準(zhǔn)客車左側(cè)另外兩個(gè)艙門(mén)進(jìn)行碰撞仿真。結(jié)果顯示，三個(gè)碰撞位置，乘員安全均能滿足APTA的側(cè)面碰撞要求，但艙門(mén)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(xiǎn)。

2.4結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在后處理中可以發(fā)現(xiàn)，碰撞發(fā)生后，移動(dòng)壁障的沖擊引起了電池艙門(mén)骨架和側(cè)圍結(jié)構(gòu)的向內(nèi)凹陷變形，移動(dòng)壁障推動(dòng)著艙門(mén)撞擊電池包，電池包骨架受到碰撞后變形，進(jìn)一步壓縮內(nèi)部電池塊，導(dǎo)致電池?fù)p壞。碰撞中電池艙門(mén)骨架、側(cè)圍上艙門(mén)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(dòng)壁障的侵入，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱。

針對(duì)以上問(wèn)題，需對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)不應(yīng)影響艙門(mén)的正常開(kāi)啟，可進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)改進(jìn)：在電池艙門(mén)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(mén)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(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模型再次進(jìn)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(gè)“碰撞”過(guò)程中，電池包骨架與電池塊之間的接觸力始終為0。說(shuō)明在整個(gè)“碰撞”過(guò)程中，電池包骨架與電池塊始終沒(méi)有產(chǎn)生接觸，電池處于安全狀態(tài)。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(hù)的法規(guī)要求，但電池安全存在風(fēng)險(xiǎn)，客車局部強(qiáng)度需要加強(qiáng)。

2）通過(guò)加強(qiáng)艙門(mén)骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(xiǎn)問(wèn)題得到了解決，說(shuō)明沿著側(cè)碰方向布置的支撐梁對(duì)抵抗側(cè)面碰撞的效果明顯。

3）目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于大客車側(cè)面碰撞安全性強(qiáng)制法規(guī)，相關(guān)的研究也少。希望本文提出的基于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下的純電動(dòng)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。

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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(dòng)客車結(jié)構(gòu)有限元分析工作。