馮曉明，趙　強(qiáng)

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

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電動汽車側(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)

建立某款電動車側(cè)面碰撞仿真模型，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，采用正交試驗(yàn)的方法，把對影響車身側(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)問題歸納成一個4因素3水平的優(yōu)化問題，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，提升車身側(cè)碰安全性。為改善左后車門前柱耐撞性，提高汽車側(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)面碰撞越來越受到廣大汽車制造商和研究院的關(guān)注[2-4]。

電動車能源利用高、節(jié)能減排效果好，其研究和開發(fā)受到越來越多的國家和研究機(jī)構(gòu)的重視[5]。電動車由于有電池、電機(jī)等部件的存在，與傳統(tǒng)汽車相比，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)布置也為被動安全設(shè)計(jì)帶來了難度。所以在對電動汽車進(jìn)行碰撞分析時，需要考慮電線漏電、電池受損等特殊情況[6]。因此，改善電動車的側(cè)面碰撞安全性能，具有重要意義。試驗(yàn)有整車試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬[7]。20世紀(jì)60年代，美國就應(yīng)用了計(jì)算機(jī)模擬碰撞這項(xiàng)技術(shù)[8]。國外側(cè)面碰撞的研究主要集中在汽車側(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)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，使數(shù)據(jù)更有說服力，能夠節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)，在減少計(jì)算次數(shù)同時找到對側(cè)碰安全性能影響顯著的零件，對改進(jìn)方向有重要的指導(dǎo)意義。因此，針對正在開發(fā)中的某電動車為例，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　電動車整車碰撞模型的建立與驗(yàn)證

1.1整車模型

這是一款四門五座的電動車，采用無B柱車身設(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。整車碰撞仿真模擬，必須真實(shí)的模擬實(shí)車碰撞時的狀態(tài)，要模擬實(shí)車各總成之間的連接，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題。該整車有1580801單元，三角形比率為2.1%，沒有超過10%，符合行業(yè)規(guī)定。

按照GB20071-2006法規(guī)要求，移動變形壁障的縱向中垂面軌跡應(yīng)垂直于被撞車輛的縱向中垂面。移動變形壁障的縱向中垂面與試驗(yàn)車輛上通過碰撞側(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]。仿真時間設(shè)置為120 ms。整車側(cè)碰模型如圖1所示。

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

1.2模型驗(yàn)證

側(cè)面碰撞過程中，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，能量曲線平滑無尖角。通過圖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，左后車門前柱直接影響碰撞時乘員的損傷情況。需要關(guān)注其侵入量和侵入速度，用以考核車輛的碰撞結(jié)構(gòu)安全性。以左后車門前柱上部某點(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)化對象的選取

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和該車的實(shí)際情況，選取4個零件作為優(yōu)化對象，如圖4所示。如果這些零件的厚度和材料選擇不當(dāng)，導(dǎo)致零件過硬，碰撞能量不能通過其變形吸收而迅速傳遞到乘員身上；如果零件過軟，導(dǎo)致碰撞時零件變形過大，壓縮乘車空間對乘員造成更大的傷害，所以選擇合適的材料和厚度對改善側(cè)碰安全性很有必要。試驗(yàn)定義左后車門前柱上部某點(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)化對象Fig.4 Optimization object　　注：A-左后車門前柱外板，B-左后車門前柱加強(qiáng)版，C-左后車門前柱內(nèi)板，D-左前車門防撞梁

選擇3種代表性材料作為防撞梁材料的3個水平。3種材料的基本屬性見表1。把零件的原始厚度分別增加20%和減少20%作為厚度的3個水平，4個試驗(yàn)因素分別是左后車門前柱外板厚度、加強(qiáng)板厚度、內(nèi)板厚度以及左前車門防撞梁材料，分別用a、b、c、d表示，見表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)化問題中實(shí)質(zhì)上這是一個4因素3水平的優(yōu)化問題。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，這種方法耗時長，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)

針對該車的碰撞優(yōu)化問題構(gòu)建了下面的正交表，按照表中利用Ansa依次對模型進(jìn)行修改，用 Ls-Dyna對模型進(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對應(yīng)補(bǔ)充完整，特別說明侵入量和侵入速度都取汽車側(cè)碰方向的值。

3.3優(yōu)化方案結(jié)果分析

通過對優(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因素有3個水平平均值K1、K2、K3。試驗(yàn)中各因素水平對峰值侵入量影響的極差分析情況見表4，各因素水平對峰值侵入速度影響的極差分析情況見表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門前柱上部某點(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得到影響左后車門前柱上部某點(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)建一個三層的分析模型來構(gòu)造權(quán)重矩陣，見表6，分別表示指標(biāo)層、因素層和水平層，且根據(jù)的是有p個因素，每個因素有q個水平的正交試驗(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個因素中的第i個因素Aj，在第j個水平上的試驗(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，則Kij=kij；反之，則Kij=1/kij，構(gòu)造的第一層矩陣為L：

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

由于兩個試驗(yàn)指標(biāo)均追求越小越好，因此取Kij=1kij。以下是兩個指標(biāo)的六個矩陣因子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因素水平的權(quán)重值，值越大代表該因素該水平對于指標(biāo)優(yōu)化越好。通過其大小比較可得到上述影響左后車門前柱上部某點(diǎn)處側(cè)碰指標(biāo)的4個因素的主次順序?yàn)椋篴>c>b>d，且相對應(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 左后車門前柱外板厚1.2 mm，加強(qiáng)板厚2.4 mm，內(nèi)板厚2 mm，左前車門防撞梁的材料用AL6082。將最初模型按照優(yōu)化方案來定義和修改，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

取左后車門前柱4個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，位置分別處于中上部、中部、中下部和下部，測出改進(jìn)方案的左后車門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)方案的左后車門前柱侵入量、侵入速度均有所下降，提高了整車的側(cè)碰安全性能。

圖5　左后車門前柱峰值侵入量Fig.5 Peak intrusion for the pillar of the left rear door

圖6　左后車門前柱峰值侵入速度Fig.6 Peak intrusion velocity for the pillar of the left rear door

圖7是左后車門前柱4個關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量優(yōu)化前后對比曲線，所有粗線代表原系統(tǒng)模型的指標(biāo)值走勢，相應(yīng)的細(xì)線代表優(yōu)化后模型的指標(biāo)值走勢。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這個時刻左后車門前柱侵入模式云圖，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　左后車門前柱關(guān)鍵點(diǎn)侵入量對比圖Fig.7 Comparison of pillar intrusion of the key points in the left rear door

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

5　結(jié)　論

(1)通過有限元仿真與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，找到影響整車側(cè)面碰撞性能的關(guān)鍵因素，即左后車門前柱外板厚度，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)車體側(cè)面結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件的材料和厚度對整車側(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，可以減輕對乘員帶來的傷害，能夠很好的改善整車的側(cè)面碰撞安全性能。

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

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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)歸國人員科學(xué)基金(LC2015019)

馮曉明，碩士研究生。研究方向：汽車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).電動汽車側(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