楊 杞

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教科研處，遼寧 錦州 121000）

某款新能源汽車門檻的優(yōu)化設(shè)計

楊 杞

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教科研處，遼寧 錦州 121000）

隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，汽車的整車安全性問題亟待解決。為了滿足新能汽車的使用要求，本文提出新能源汽車門檻機構(gòu)方案。為了滿足車門檻的碰撞性能以及輕量化要求，對其進行了拓撲優(yōu)化，提高其使用性能，并使其減重1.008 kg。側(cè)碰及正碰仿真實驗表明，該車門檻滿足新能源汽車使用要求。

新能源汽車；門檻；優(yōu)化；仿真

人類所面臨的環(huán)境問題與能源問題日趨嚴重。為此，世界各國如美國、日本、德國等發(fā)達國家都根據(jù)自己國家的工業(yè)發(fā)展情況為促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展制定了相關(guān)的扶持性政策。從2001年至今，我國政府陸續(xù)頒布了一系列有利于新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策、措施，使新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為我國汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向［1-4］。已有研究表明，車重是影響新能源汽車的能量利用率和續(xù)航里程的關(guān)鍵因素。輕量化能有效提高純電動汽車的能量利用率和續(xù)航里程，但同時也應(yīng)保證整車安全性能不低于傳統(tǒng)燃油汽車［5］。據(jù)統(tǒng)計，我國汽車正面碰撞事故約占事故總數(shù)的23%［6］，是導(dǎo)致事故死亡人數(shù)最多的原因。因此，在保證輕量化的前提下新能源汽車正面碰撞安全性能問題非常重要。

為了有效提高新能源汽車的動力性與安全性，國內(nèi)外許多學(xué)者對新能源汽車輕量化技術(shù)以及碰撞安全技術(shù)做了大量研究。Rais-Rohani等在考慮正面100%碰撞和正面40%碰撞的約束條件下，應(yīng)用二階逐步回歸多項式響應(yīng)面來模擬耐撞性響應(yīng)，對前縱梁的截面形狀和尺寸進行輕量化設(shè)計［7］。Forsberg等采用響應(yīng)面模型和Kriging模型對汽車進行輕量化設(shè)計，認為采用響應(yīng)面模型是一種高效的分析方法［8］。葉輝等以車身鈑金件厚度為設(shè)計變量進行優(yōu)化設(shè)計，車身的質(zhì)量減輕14.8 kg，優(yōu)化后的車身仍然能夠符合碰撞要求［9］。周利輝首先建立了車門側(cè)面碰撞的Kriging近似模型，利用修正可行方向法對車門進行優(yōu)化，實現(xiàn)了車門的輕量化設(shè)計和碰撞安全性的提高。隨后建立了整車側(cè)面碰撞的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型，運用多目標的遺傳算法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，實現(xiàn)了側(cè)圍高強度板的材料和厚度優(yōu)化匹配，減小了對乘員的損傷［10］。目前國內(nèi)大多數(shù)新能源汽車都是由傳統(tǒng)車型改造而來的，但新能源汽車動力總成和圍繞動力總成及傳動的布置發(fā)生很大的改變，這也使傳統(tǒng)燃油車上得到的許多碰撞實驗結(jié)果并不適用于新能源汽車。門檻是整車骨架車身的重要組成部分，是車身碰撞（正碰、偏置碰、側(cè)碰等）安全重要的傳力、受力部件和結(jié)構(gòu)；也是乘員艙重要承力部件，車門密封的支撐面，車輛維修舉升的著力點。為滿足新能源汽車整車安全性以及輕量化要求，本文提出了一種新型的輕量化門檻斷面結(jié)構(gòu)，并對其進行仿真碰撞實驗驗證其安全性能。

1 新能源汽車門檻設(shè)計方案

1.1 傳統(tǒng)新能源車輛門檻

傳統(tǒng)燃油車或在燃油車基礎(chǔ)改動開發(fā)的新能源車輛的車門檻結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種車門檻所用材料為鋼板，采用沖壓成型、焊接成側(cè)圍外板總成，然后與車門檻內(nèi)板等下部總成焊接形成封閉的斷面。但其采用的材料將大大增加車身重量，影響新能源汽車的能量利用率和續(xù)航里程。采用焊接形式進行連接，各部件將大大降低其碰撞性能以及使用壽命，所以重新設(shè)計滿足新能源汽車的車門檻勢在必行。

1.2 全新開發(fā)車身門檻結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的車門檻結(jié)構(gòu)如圖2所示。此結(jié)構(gòu)將應(yīng)用在輕量化純電動汽車上。純電動車的動力電池通常布置在地板下部，車身與電池包結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計，車身左右門檻和前后橫梁形成電池包保護架構(gòu)，車身設(shè)計同時兼顧考慮電池包系統(tǒng)的防護和設(shè)計，不僅使車身的結(jié)構(gòu)更合理，也使電池包能實現(xiàn)標準模組的構(gòu)架，優(yōu)化電池模組機構(gòu)，減輕了電池包的重量，提升電池包能量密度。

鑒于上述構(gòu)想，車門檻梁采用新材料鋁合金，根據(jù)材料的特點，擬采用鋁合金型材擠出件直接成型車身門檻梁，作為車身骨架的承力部件和電池包防護的保護結(jié)構(gòu)。根據(jù)新能源汽車門檻梁的受力特點，對其結(jié)構(gòu)提出設(shè)計方案。采用矩形改進結(jié)構(gòu)，保證車門檻梁設(shè)計要求對其進行結(jié)構(gòu)改進，在原始的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加上了座椅橫梁安裝面、門洞止口、電池安裝以及裙板安裝面，還增加了加強筋。加強筋分布如圖3所示，其尺寸為：外壁料厚2 mm，內(nèi)部筋1.8 mm。

圖1 傳統(tǒng)新能源車輛的門檻Fig.1 Traditional doorsill of the new energy vehicles

圖2 采用全新材料和結(jié)構(gòu)的車身門檻結(jié)構(gòu)Fig.2 Doorsill structure by new materials

圖3 新車門檻結(jié)構(gòu)平面圖Fig.3 Graph of doorsill structure

為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中提出了三種方案，如圖4所示。

方案一：車門檻梁料厚為外壁料厚2 mm，局部2.5 mm，內(nèi)部筋2 mm，總重量為7.348 kg。分析表明，該種車門檻梁滿足新能源汽車使用要求，但其性能以及材料使用率有待進一步提高。

方案二：車門檻梁料厚為外壁料厚2 mm，內(nèi)部筋1.8 mm，總重量為6.429 kg。車門檻梁使用性能相對于方案一有所提升，并且減少材料用量，總體質(zhì)量減少0.918 kg。

方案三：車門檻梁料厚為外壁料厚2 mm，內(nèi)部筋1.8 mm，總質(zhì)量為6.339 kg。門檻梁的工作性能以及輕量化進一步提高，能夠滿足新能汽車的使用要求，能有效地為車身骨架承擔負載以及保護電池包的安全。

圖4 三種車門檻方案Fig.4 Design plans

三種方案的比較表明，方案三不僅僅對材料使用進行了優(yōu)化，還進行了工藝優(yōu)化，故最終確定采用方案三的門檻梁結(jié)構(gòu)。

2 車門檻梁截面拓撲優(yōu)化

新能源汽車在發(fā)生正碰時，其碰撞安全力傳遞路徑如圖5所示。車門檻能將碰撞力傳遞至后方骨架，能有效地保護電池包，防止車身變形。若車門檻只采用高強度材料，而沒有合理設(shè)立截面，將會大大降低車門檻的工作性能，更有甚者危及駕駛員生命，故必須對車門檻梁截面進行合理設(shè)計以及拓撲優(yōu)化。本文運用HyperMesh軟件對所設(shè)計的車門檻梁進行拓撲優(yōu)化。

首先建立車門檻梁模型，如圖6所示，并劃分網(wǎng)格。其次，根據(jù)車門檻梁實際受力情況，在相應(yīng)節(jié)點施加載荷：上下表面施加單向100 N的節(jié)點力，端面施加40 N·mm的扭矩，側(cè)面加單向20 N的節(jié)點力。選取單元密度為優(yōu)化變量。邊界條件：并選取另一端面固定為以及體積分數(shù)為原來的0.2～0.3為邊界條件，最后進行求解。

圖5 碰撞安全力傳遞路徑Fig.5 Transferring path of safe force during impact

圖6 實驗?zāi)Ｐ虵ig.6 Experimental model

求解結(jié)果如圖7和圖8所示。車門檻梁截面所應(yīng)有的優(yōu)化結(jié)構(gòu)：內(nèi)側(cè)增加橫縱加強筋形成多空腔，外輪廓中的內(nèi)折角應(yīng)做內(nèi)部支撐，增加內(nèi)圓角。

由上述分析結(jié)果可知，本文所提出的車門檻梁截面優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有較小的應(yīng)變能，車門檻性能得到一定的提升。

圖7 結(jié)構(gòu)分布圖，kPaFig.7 Structure distribution map，kPa

圖8 車門檻梁應(yīng)力圖，MPaFig.8 Distribution map of stress in beams of doorsill，MPa

3 仿真碰撞試驗

3.1 側(cè)碰試驗

運用CAE分析技術(shù)，對所設(shè)計的車門檻進行整車側(cè)碰仿真試驗。實驗采用可變形移動壁障速度50 km/h與車輛進行側(cè)面碰撞，試驗如圖9所示。

本次試驗采用5個監(jiān)測點來監(jiān)測電池包安裝支架安裝梁的入侵量，如圖10所示。監(jiān)測點1～5的入侵量分別為0.8，2.1，2.6，2.1，0.8 mm。

圖9 側(cè)碰實驗Fig.9 Side impact experiment

圖10 電池包安裝支架安裝梁的入侵量Fig.10 Invasion of support beam of battery pack

通過試驗結(jié)果可知，碰撞過后電池包安裝支架安裝梁各個監(jiān)測點的入侵量均在實驗允許范圍內(nèi)。證實本文所設(shè)計的新能源汽車門檻能有效地保護電池包，滿足新能源汽車使用條件。

3.2 正碰試驗

實驗進行車輛速度50 km/h與剛性固定壁障100 %重疊率的正面碰撞，如圖11所示。

本輪碰撞試驗將驗證裝有本文設(shè)計車門檻的整車的部分性能，通過試驗結(jié)果的分析表明所設(shè)計門檻性能的優(yōu)越性。

（1）門框變形量。為了很好地反應(yīng)門檻性能，本輪實驗對門框變形量進行了監(jiān)測，采用上、中、下三個門框監(jiān)測點，如圖12所示。試驗結(jié)果如圖13所示。

圖11 正碰實驗Fig.11 Front impact experiment

圖12 門框變形Fig.12 Frame deformation

左門上部和中部變形嚴重，上部變形量最大，高達6.1 mm，而下部監(jiān)測點變形量非常小。這表明本文所設(shè)計的車門檻將大大減小正碰過程中門框的變形量，能有效地提高整車碰撞性能。

圖13 門框變形量Fig.13 Frame deformation

（2）電池框位移量。電池包作為新能源汽車的動力部分，也是新能源汽車碰撞重要保護對象之一，故對其的防護也是必要的。而新能源汽車門檻梁作為車身骨架的承力部件和電池包防護的保護結(jié)構(gòu)，其碰撞性能將極大地影響電池包安全。為反映車門檻梁的碰撞性能，對正碰時電池框位移量進行了監(jiān)測，試驗結(jié)果如圖14所示。最大位移量為72.2 mm，未超過試驗允許值，并符合實際電池框變形位移量的允許范圍。實驗結(jié)果表明本文所設(shè)計的車門檻能有效地保護電池框，進而保護電池包的安全。也證實了所設(shè)計的車門檻性能優(yōu)良，滿足新能源汽車碰撞試驗要求。

圖14 電池框位移量Fig.14 Battery box displacement

4 結(jié)論

由于傳統(tǒng)新能源車輛門檻的結(jié)構(gòu)不能滿足新能源汽車的使用要求，故需設(shè)計一種新型的新能源汽車門檻。首先，根據(jù)新能源汽車使用要求，提出了車門檻的結(jié)構(gòu)方案，并對該方案進行材料以及工藝優(yōu)化，使其減重1.008 kg。其次，為了保證在汽車碰撞時，車門檻梁能有效保護電池包以及防止車身變形，對其截面進行了拓撲優(yōu)化，仿真實驗表明，截面優(yōu)化后的應(yīng)變能明顯減小，車門檻性能得到很大的提升。最后，建立裝有本文設(shè)計的車門檻的整車模型進行側(cè)碰與正碰仿真實驗，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的車門檻滿足新能源汽車使用要求，以及加強車身強度。

［1］滿媛媛.基于鉆石模型的我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)競爭力研究［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2015（1）：13-16.

［2］錢翌，宋開慧，張培棟，等.中國新能源汽車行業(yè)發(fā)展的政策歷程淺析［J］.青島科技大學(xué)（社會科學(xué)版），2016，32（1）：64-70.

［4］唐葆君，劉江鵬.中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報社會科學(xué)版，2015，17（2）：1-6.

［5］龍江啟，袁章平，符興鋒，等.基于正面碰撞安全性的增程式純電動汽車車身輕量化研究［J］.汽車工程，2015，37（4）：466-471.

［6］鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［7］RAIS-ROHANI M，SOLANKI K，EAMON C.Reliabilitybased optimization of lightweight automotive structures for crashworthiness［C］//11th AIAA/ISSMO multidisciplinary analysis and optimization conference，Portsmouth，Virginia，2006：7004.

［8］FORSBERG J，NILSSON L.Evaluation of response surface methodologies used in crashworthiness optimization［J］.International Journal of Impact Engineering，2006，32（5）：759-777.

［9］葉輝，胡平，申國哲，等.汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計的靈敏度分析與碰撞仿真［C］//第七屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集，昆明，2011：75-83.

［10］周利輝.汽車側(cè)碰安全與輕量化優(yōu)化設(shè)計［D］.湖南：湖南大學(xué)，2012.

Optimization of doorsill structure of a new energy automotive

YANG Qi

（Educational&Scientific Research Office，Liaoning Railway Vocational and Technical College，Jinzhou 121000，China）

With the rapid development of new energy vehicles,it is necessary and urges to solve the problem of the vehicle’s security.The new energy vehicles doorsill is proposed in order to meet the requirements of the collision and lightweight of the doorsill.The performance and the weight of the doorsill was optimized and reduced by 1.008 kg by using the topology method,respectively.In order to verify its performance further,the side is touch and touch simulation experiments.The simulated results show that the data of the side and front impact of the doorsill meets the demand of new energy vehicles.

new energy automotive；doorsill；structure；simulation

December 12，2016）

TP391

A

1674-1048（2017）03-0225-08

10.13988/j.ustl.2017.03.013

2016-12-12。

2014年遼寧省教育廳項目（L2014581）。

楊杞（1982—），男，遼寧錦州人，講師。