劉存山,馮 津

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 東莞 523808; 2.廣州合贏教學(xué)設(shè)備有限公司,廣東 廣州 525100)

0 引言

增程式純電動(dòng)汽車(E-REV)具備在線充電功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程不足的缺點(diǎn)，與混合動(dòng)力電動(dòng)汽車相比，擁有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到人們的重視。

隨著新能源汽車大量進(jìn)入市場，E-REV汽車的安全性也越來越引起人們的重視，作為進(jìn)入市場化應(yīng)用的車型，E-REV應(yīng)該擁有與傳統(tǒng)燃油車同樣良好的側(cè)碰撞安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國造成死亡和重傷的汽車碰撞事故中，側(cè)碰事故約占35%，其致死率僅次于正碰撞[1]，因此研究E-REV汽車的側(cè)碰撞安全性能是非常重要的。

本文以某增程式純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，針對(duì)該車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用有限元仿真技術(shù)來分析該E-REV的側(cè)碰撞安全性能，并與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，研究獲得該款車型更好的側(cè)碰撞安全性能的方法。

1 側(cè)碰撞安全性設(shè)計(jì)原則

本文研究對(duì)象是一款改制式的增程式純電動(dòng)汽車。該款車的增程式發(fā)動(dòng)機(jī)、增程器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器和減速器均布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙。動(dòng)力電池箱布置在車輛后排座椅和后備箱之間的位置，約重230 kg，動(dòng)力電池箱總能量為13 kWh。增程式純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

E-REV車輛的側(cè)碰撞安全性試驗(yàn)必須滿足GB20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》和GB/T19751—2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》[2]。

圖2為E-REV側(cè)碰撞有限元模型。E-REV的側(cè)碰撞仿真分析方法與傳統(tǒng)汽車完全一樣。在我國標(biāo)準(zhǔn)側(cè)碰撞試驗(yàn)中,要求被撞車體受到的最大側(cè)向碰撞力不超150 kN[3]。側(cè)碰撞安全結(jié)構(gòu)總的設(shè)計(jì)原則是：在側(cè)碰發(fā)生時(shí)盡量降低左右兩個(gè)B柱間(或者左右兩個(gè)車門間)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。好的設(shè)計(jì)這個(gè)相對(duì)速度可以低于6 m/s，差的可能高于10 m/s。

圖1 增程式純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)框圖

圖2 E-REV側(cè)碰撞有限元模型

2006年7月頒布執(zhí)行的《汽車側(cè)面碰撞的乘員防護(hù)》法規(guī)中對(duì)車身變形的評(píng)價(jià)方法為新車設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)性要求。側(cè)碰撞對(duì)假人的傷害程度由假人的生存空間和傳遞給假人的撞擊決定，而上述內(nèi)容又由撞擊過程中生存空間的侵入量和侵入速度決定[4]。因此，側(cè)碰撞安全性能的優(yōu)劣性可通過撞擊過程中車輛的侵入量和侵入速度來評(píng)判。

與正面碰撞不同，側(cè)碰撞需要盡快地將碰撞能量從被撞擊側(cè)傳遞到對(duì)側(cè)?？紤]到撞擊點(diǎn)與乘員距離的問題，本文設(shè)計(jì)了一些橫向承載條，以加快側(cè)向碰撞能量的傳遞速度,同時(shí)優(yōu)化該車側(cè)圍結(jié)構(gòu)，避開乘員易被傷害的區(qū)域。

2 E-REV的側(cè)碰撞仿真分析

本文按照C-NCAP可變性移動(dòng)屏障側(cè)碰撞試驗(yàn)的要求建模,將整車車架模型處理后導(dǎo)入有限元軟件，使用LS-DYNA作為求解器進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 E-REV車身結(jié)構(gòu)與原型車對(duì)比

經(jīng)過仿真計(jì)算得到E-REV白車身一階彎曲模態(tài)為37.8 Hz，稍小于原型車的38.3 Hz，滿足≥32 Hz的目標(biāo)值要求；白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為48.9 Hz，稍大于原型車48.7 Hz，滿足≥35 Hz的目標(biāo)值要求；E-REV白車身扭轉(zhuǎn)剛度為19 821 daNm/rad，小于原型車21 815 daNm/rad，滿足≥10 612 daNm/rad的目標(biāo)值設(shè)計(jì)要求。

圖3為彎曲加載后E-REV車身后地板最大變形處的變形量，在x=2 250 mm的位置(x軸的零點(diǎn)位于車身前部結(jié)構(gòu)件鋼梁頂端),彎曲變形量最大，約0.183 mm，原型車為0.149 mm，彎曲變形量稍有增大，仍然滿足設(shè)計(jì)值要求。

圖3 E-REV車身后地板最大變形

在5g的加速度工況下，E-REV底部的高壓線槽單段線槽最大應(yīng)力為2.410 MPa，遠(yuǎn)小于50 MPa的屈服強(qiáng)度，并且在側(cè)碰撞仿真試驗(yàn)中E-REV車輛底部高壓線槽產(chǎn)生了一定程度的變形，但是線槽整體保持完整，沒有損壞現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 E-REV側(cè)碰撞門檻變形分析

對(duì)E-REV側(cè)碰撞過程中車門變形情況進(jìn)行研究。根據(jù)C-NCAP可變形移動(dòng)壁障側(cè)碰撞試驗(yàn)的要求,將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)的橫斷垂面對(duì)準(zhǔn)，碰撞速度設(shè)為50 km/h，提交LS-DYNA計(jì)算，得到的結(jié)果如圖4所示。圖4的仿真結(jié)果顯示，E-REV整車側(cè)碰撞結(jié)果的變化趨勢(shì)和原型車類似，門檻的變形不大，但B柱中部變形嚴(yán)重，上、下部變形較小。

綜合仿真計(jì)算的結(jié)果來看，E-REV車身結(jié)構(gòu)在側(cè)碰撞試驗(yàn)中，因?yàn)檐囍氐淖兓瘜?dǎo)致原型車已有的車身結(jié)構(gòu)件應(yīng)力和屈服強(qiáng)度發(fā)生了較大變化，使得車身主要的承重部位的碰撞變形量增大，但是增大的幅度在可以接受的范圍內(nèi),可以滿足國家側(cè)碰撞法規(guī)的要求，但是如果要取得較高的性能值，還需要對(duì)E-REV整車結(jié)構(gòu)做針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 E-REV側(cè)碰撞B柱變形結(jié)果

由表1的主要損傷值可以看出，E-REV在側(cè)碰試驗(yàn)中，雖然駕駛員頭部沒有與B柱發(fā)生直接碰撞，但是左前門內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)假人的肋部侵入量較大，偏向低性能值，駕駛員的頭部和胸部在安全氣囊沒有完全展開的情況下與之發(fā)生接觸，導(dǎo)致駕駛員側(cè)頭部HIC(Head injury criteria)損傷值偏高，無法得到好的C-NCAP分?jǐn)?shù)。因此有必要對(duì)于E-REV乘員約束系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得在側(cè)碰撞試驗(yàn)中為乘員提供最優(yōu)的保護(hù)。

表1 E-REV側(cè)碰撞主要損傷指標(biāo)結(jié)果

常用的HIC有兩種，表1中的HIC36是指時(shí)間間隔不超過36 ms的HIC。

3 E-REV側(cè)碰撞仿真及優(yōu)化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文從E-REV車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和乘員約束系統(tǒng)配置參數(shù)的優(yōu)化兩方面分別進(jìn)行。

3.1 E-REV車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)前面章節(jié)仿真分析得到的結(jié)果，將B柱和頂部、底部車架結(jié)合位置修改為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并改用高強(qiáng)度鋼材，強(qiáng)力包覆住乘員艙的空間，強(qiáng)化防撞鋼梁和修改左前門的防撞銷結(jié)構(gòu)，后地板前橫梁加厚至3 mm，全面地提升了側(cè)碰撞時(shí)的防護(hù)能力，最大程度地保證乘員的安全。優(yōu)先后的E-REV車身結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的E-REV車身結(jié)構(gòu)

3.2 E-REV乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化

徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法是一種3層前向網(wǎng)絡(luò)，輸入到輸出的映射是非線性的，而隱層空間到輸出空間的映射是線性的。RBF網(wǎng)絡(luò)是局部逼近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以避免局部極小問題，有效地減少和控制目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)的波動(dòng)，進(jìn)而快速地計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，非常適合設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。RBF網(wǎng)絡(luò)逼近的性能指標(biāo)函數(shù)為:

(1)

其中:E(k)為性能指標(biāo)函數(shù)；y(k)為目標(biāo)函數(shù)對(duì)象；ym(k)為網(wǎng)絡(luò)輸出量變量；w=[w1,w2,…,wm]T為網(wǎng)絡(luò)權(quán)向量；h=[h1,h2,…,hm]T為高斯基函數(shù)。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整過程為：

W(k)=W(k-1)+ΔW(k)+α(W(k-1)-W(k-2)).

(2)

其中：W(k)為進(jìn)行迭代計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；α為動(dòng)量因子。

由于汽車側(cè)碰撞對(duì)人傷害最大的因素是車門的最大侵入量和最大侵入速度。我們選取5個(gè)對(duì)于E-REV原型車增加側(cè)向剛度影響較大的零件作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象，構(gòu)建以下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[5]：

F(x)=k1F1(di)+k2F2(vj).

(3)

其中：F1為碰撞位移影響函數(shù)；di為車門最大侵入量， 且di≤0.2 m，i=1,…,n;F2為碰撞侵入速度影響函數(shù)；vj為車門最大侵入速度，且vj≤8 m/s，j=1,…,n;k1和k2為影響調(diào)整系數(shù)；n為迭代次數(shù)，此處取n=7。

啟動(dòng)計(jì)算程序，開始RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法的迭代計(jì)算，經(jīng)13次迭代后，得到了最優(yōu)值。確定的氣袋織物透氣率是原型車的92%，安全帶織帶剛度是原型車的91%，座椅面料摩擦因數(shù)為原型車的90%，護(hù)膝板剛度為原型車的108%，安全氣囊材料泄氣率常數(shù)為1.2，起爆時(shí)間調(diào)整為碰撞后15 ms。

再次仿真的結(jié)果顯示：HIC值由672.6降低到了355.2，胸部最大壓縮量由42.5 mm降低到了23.6 mm，經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)后，假人的傷害指數(shù)大幅下降，效果明顯。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的車身結(jié)構(gòu)的側(cè)碰撞仿真結(jié)果與原型車的實(shí)測結(jié)果非常相近，假人的腹部力曲線、上中下三個(gè)位置的肋骨變形量最大值波形、骨盆碰撞力最大值波形以及頭部加速度波形都非常接近。圖6是優(yōu)化設(shè)計(jì)后的E-REV門檻在側(cè)碰撞后的變形結(jié)果，變形位移量較小。因此，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)后的E-REV比原型車具有更好的側(cè)碰撞安全性。

4 實(shí)驗(yàn)分析

通過上述分析研究，對(duì)E-REV車輛的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，經(jīng)實(shí)車側(cè)碰撞試驗(yàn)，得到如圖7所示的試驗(yàn)結(jié)果。從圖7中可以看出，仿真計(jì)算的加速度曲線和實(shí)車測試結(jié)果趨勢(shì)一致，仿真計(jì)算加速度最大值為19.1g，實(shí)車測試值為16.3g，仿真結(jié)果略大于實(shí)車測試值，計(jì)算結(jié)果可信。

圖6 E-REV側(cè)碰撞門檻變形結(jié)果

圖7 E-REV側(cè)碰撞B柱非碰撞側(cè)加速度仿真與測試曲線

綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后的E-REV側(cè)碰撞性能得到了較好的提高，重新優(yōu)化調(diào)整的約束系統(tǒng)參數(shù)能夠?yàn)槌藛T提供最優(yōu)的保護(hù)，仿真和試驗(yàn)的結(jié)果均表明，該款E-REV有著高性能的側(cè)碰撞安全性。

5 結(jié)語

基于一款改制式的增程式純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，建立了該車的側(cè)碰撞有限元仿真模型，經(jīng)過仿真計(jì)算，對(duì)其車身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，重新調(diào)整了設(shè)計(jì)參數(shù)，通過仿真和實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的良好效果。本文的研究內(nèi)容對(duì)于改進(jìn)增程式純電動(dòng)汽車側(cè)碰撞被動(dòng)安全性的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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[5] 中國汽車技術(shù)研究中心,清華大學(xué)汽車系，上海機(jī)動(dòng)車檢測中心，等.GB 20071—2006 汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1-62.