摘要：隨著環(huán)境保護意識的增強及新能源汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，新能源汽車車身安全的設(shè)計與優(yōu)化愈顯重要。對新能源汽車車身安全進行設(shè)計，應(yīng)充分考慮整車的結(jié)構(gòu)、材料等因素，被動安全、主動安全問題，并注意與其他系統(tǒng)的協(xié)同。新能源汽車車身安全的優(yōu)化應(yīng)著眼于材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與車身優(yōu)化。持續(xù)提高新能源汽車的安全性能，可以使人們的出行更安全、更環(huán)保。

關(guān)鍵詞：新能源汽車車身安全被動安全結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U469.7

ResearchontheDesignandOptimizationofNewEnergyVehicleBodySafety

CHENYong

LiuzhouVocational&TechnicalCollege，Liuzhou，GuangxiZhuangAutonomousRegion，545000China

Abstract：Withtheincreasingawarenessofenvironmentalprotectionandtherapiddevelopmentofnewenergyvehicletechnology，thedesignandoptimizationofnewenergyvehiclebodysafetyarebecomingincreasinglyimportant.Forthedesignofnewenergyvehiclebodysafety，itisnecessaryfullyconsiderfactorssuchasthestructureandmaterialsoftheentirevehicleandtheissuesofpassivesafetyandactivesafety，andpayattentiontocoordinationwithothersystems.Theoptimizationofnewenergyvehiclebodysafetyshouldfocusonmaterialoptimization，structureoptimizationandbodyoptimization.Continuouslyimprovingthesafetyperformanceofnewenergyvehiclescanmakepeople'stravelsaferandmoreenvironmentally-friendly.

KeyWords：Newenergyvehicle;Bodysafety;Passivesafety;Structureoptimization

新能源汽車是未來汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，它的安全性直接影響著汽車行業(yè)的發(fā)展，也影響著乘員的生命安全。在新能源汽車研究中，車身的安全性問題已成為人們關(guān)注的焦點。技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合新能源汽車的特性開展車身安全設(shè)計與優(yōu)化，促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1新能源汽車車身安全設(shè)計分析

首先，對新能源汽車進行車身安全性設(shè)計時，應(yīng)充分考慮整車的結(jié)構(gòu)、材料等因素。車身結(jié)構(gòu)應(yīng)采用高強鋼、鋁合金、碳纖維復合材料等輕質(zhì)高強材料。這種材料不僅可以有效地提高車身的剛性、抗沖擊性，而且可以減輕車身的重量，提高汽車的能源效率，延長汽車的續(xù)航時間。同時，在車身設(shè)計中也要注意結(jié)構(gòu)合理性，提高整車的強度與穩(wěn)定性。

其次，在車身安全性設(shè)計中，要考慮整車的被動安全性問題。汽車的被動安全性主要體現(xiàn)為碰撞防護和乘員防護。從碰撞防護角度看，車體應(yīng)具有足夠的能量吸收能力，能有效地吸收并分散碰撞力，從而降低對乘員及車輛的傷害。其關(guān)鍵在于設(shè)計合理的吸能結(jié)構(gòu)，并采用高效吸能材料[1]。從乘員保護的角度看，為了在碰撞中起到有效的保護作用，車身必須配備良好的安全氣囊、座椅、安全帶等被動安全裝置。

隨后，在新能源汽車的車身安全性設(shè)計中，也應(yīng)充分考慮主動安全性問題。汽車主動安全技術(shù)主要體現(xiàn)在其相關(guān)技術(shù)上，如緊急制動、車道偏離預(yù)警、盲點監(jiān)測等。這些技術(shù)是利用傳感器及控制系統(tǒng)，對車輛所處環(huán)境及狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的危險進行預(yù)判，從而避免或減少交通事故[2]。在車身設(shè)計時，必須為這些主動安全技術(shù)預(yù)留合適的安裝空間與接口，使之能更好地工作。

最后，在新能源汽車車身安全性設(shè)計中還應(yīng)注意與整車其他系統(tǒng)的協(xié)同。新能源汽車通常具有復雜的電子系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，因此車身設(shè)計必須與這些系統(tǒng)相互配合，以保證其工作性能。例如：要將電池組放置在不同的位置，以保證電池的安全穩(wěn)定；同時也要考慮到汽車的散熱、隔音等需求，提高舒適度和可靠性。

2新能源汽車車身安全設(shè)計優(yōu)化

2.1材料優(yōu)化設(shè)計

材料優(yōu)化設(shè)計尤為重要，它直接關(guān)系到汽車的強度、重量和碰撞安全性。首先，對材料進行優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)充分考慮材料的力學性能及輕量化要求。傳統(tǒng)汽車以鋼材為主，其強度雖高，質(zhì)量卻偏大，這對提高新能源汽車能源效率具有不利影響。因此，尋求兼具高強度與輕質(zhì)化雙重性能的新材料是十分必要的。鋁合金、碳纖維復合材料是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛷秃喜牧?。鋁合金輕質(zhì)高強，抗腐蝕性能好，碳纖維復合材料強度高，可大幅減輕車身質(zhì)量，同時保證車身安全[3]。其次，在材料優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮材料的吸能特性。當汽車受到撞擊時，車身材料必須具有較好的能量吸收性能，才能最大限度地減少對乘員的傷害。因此，在材料的選擇上，除了要考慮靜力學性能外，還應(yīng)重視沖擊載荷下的能量吸收性能?？赏ㄟ^對材料微結(jié)構(gòu)及組成的優(yōu)化，提高其能量吸收性能，為碰撞過程中乘員提供更好的保護。另外，材料的優(yōu)化設(shè)計也應(yīng)兼顧成本與環(huán)保。盡管新材料具有優(yōu)異性能，但是它的成本很高。為此，必須進行技術(shù)革新、工藝改造，以降低原料生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。同時，也要注意材料的環(huán)保性，選用可循環(huán)利用和生物降解的材料，促進新能源汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

在進行材料優(yōu)化設(shè)計的過程中，所選擇的設(shè)計目標要具有主觀性，而且在設(shè)計過程中還需要將厚度和材質(zhì)之間的交互作用完全考慮進去，但是在現(xiàn)實中，很少有人會去關(guān)注這個問題。筆者擬通過結(jié)構(gòu)的能量分配和傳遞途徑，完成構(gòu)件的初始選擇，通過靈敏度識別出對碰撞安全有重要作用的構(gòu)件，并以此為研究目標，從而有效地解決碰撞目標選擇困難的問題。而且，基于所識別的目標，通過多目標優(yōu)化和近似模型優(yōu)選，在綜合考慮二者相互作用特征的基礎(chǔ)上，對其進行優(yōu)化，從而達到厚度和材質(zhì)的連續(xù)/離散參數(shù)的復合優(yōu)化。這種方法具體的流程為：傳力路徑分析→能量分布分析→敏感度分析→構(gòu)建材料匹配模型→試驗設(shè)計采樣→構(gòu)建近似模型（多項式近似模型、RBF近似模型、Kriging近似模型）→精度對比、模型選擇→多目標優(yōu)化→檢查是否滿足設(shè)計要求。經(jīng)過對最短距離選擇方法的完善，已運用于具體的工程問題，并取得較為滿意的結(jié)果。將此最佳方案與數(shù)值模擬相結(jié)合，可為數(shù)值模擬奠定良好的理論依據(jù)。對該流程進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，從表1的數(shù)據(jù)可以看出，整車的前碰撞性能有明顯的提高。經(jīng)過改良，使用者可獲得更多的安全保障。但需要指出的是，車輛在提高抗碰撞性能的過程中，其重要部件的重量也出現(xiàn)明顯的降低。這似乎是一種悖論，但是，它反映出我們在最優(yōu)設(shè)計中尋找均衡和妥協(xié)的智慧。

2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

采用一種基于變密度方法的新能源車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，當負載工作狀態(tài)和邊界條件確定時，對其進行優(yōu)化，可得到一個新結(jié)構(gòu)形式。其中，設(shè)計變量向量為V=V1，V2，…，Vn；在離散元a中，以v為物質(zhì)的相對密度，以新能源車輛本身的總體順應(yīng)性和總應(yīng)變量為B，將新能源車輛所承受的內(nèi)、外荷載矢量視為C，新能源汽車自身的結(jié)點位移矩陣D、初始區(qū)域等容積D0，區(qū)域數(shù)量（m）與物質(zhì)體積（g）的比值G，可獲得新能源汽車的最佳設(shè)計方案，具體圖1。

以國內(nèi)一款已經(jīng)投放市場的燃料電池車作為例子，根據(jù)車身外形的尺寸，可以對車身的外形進行判定，再根據(jù)車身的電器系統(tǒng)和零部件質(zhì)量及車身安裝位置，來確定車身設(shè)計區(qū)域的靜態(tài)荷載。設(shè)計面積為4.8×1.8m×1.5m，乘客間的大小為2.4m×1.2m×0.9m，動力室的大小為1m×1.2m×0.9m，通過優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)為原設(shè)計區(qū)域體積的30%。通過對這種新型車輛的車體進行拓撲優(yōu)選，得到了三箱式的布局，并對其進行進一步的修改，以改善車輛的載重能力。

本項目擬以一款已在市場銷售的純電動轎車為研究對象，通過分析各零部件及子系統(tǒng)的質(zhì)量和安裝位置等數(shù)據(jù)，對整車的靜態(tài)載荷開展求解。假設(shè)該轎車是4.4m×1.8m×1.5m的矩形結(jié)構(gòu)，在該模型中，保留了0.6m×1.2m×0.9m的機動車輛功率空間，以及乘員空間2.6m×1.2m×0.9m，將各單元邊長0.1mm的網(wǎng)格進行離散，對彎矩和扭轉(zhuǎn)載荷進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，在車體底面設(shè)置比較明顯的加勁肋，可以改善車體的抗彎性能；在車體的頂端有一個帶有橫向梁的頂棚面板，可以改善車輛的扭轉(zhuǎn)剛性。

2.3車身優(yōu)化設(shè)計

在車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，除了通過改變截面尺寸使體積最小以外，還應(yīng)該盡量減小平面薄板，以達到減小車體的目的。在此基礎(chǔ)上，要采用合適的數(shù)值計算手段，實現(xiàn)層板構(gòu)件在滿足剛性與安全性條件下的分層優(yōu)化[4]。然后，綜合考慮車身受力狀態(tài)、接頭位移狀態(tài)和加速變形狀態(tài)，對車身的拓撲進行優(yōu)化，增強節(jié)點的機械性能，以達到降低車身重量的目的。

在此基礎(chǔ)上，以梁截面尺寸作為設(shè)計變量，以扭轉(zhuǎn)剛度、車身彎曲剛度和梁厚度作為限制條件，研究車身結(jié)構(gòu)的三維幾何模型。這里，用y（i）表示整體重量，C（i）表示彎曲剛度，F(xiàn)（i）表示扭轉(zhuǎn)剛度，k表示梁的厚度。選取A、B、C柱及外形節(jié)點、車頂橫梁位置節(jié)點、蓄電池支撐形狀節(jié)點及位置，地板縱梁與補強梁位置，建立新能源汽車框架結(jié)構(gòu)模型，完成整車的綜合性能測試。以燃料電池汽車、混合動力汽車及全電動汽車為研究對象，選取車體橫梁截面為最優(yōu)變量，當系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時，其運行狀況和運行特征也隨之改變，這就是系統(tǒng)的設(shè)計響應(yīng)。4種不同的反應(yīng)模式下的構(gòu)造參數(shù)，即車體在扭轉(zhuǎn)時的質(zhì)量、施力節(jié)點Z方向的位移、彎曲時的Z方向位移、彎曲時的空心鋼管壁厚度。

汽車的剛度與車輛的安全性、經(jīng)濟性及乘坐的舒適度密切相關(guān)，因此，檢測汽車的剛度是最為直觀、最有效的手段。扭矩是汽車在扭曲條件下（路面不平）對扭矩的抗力。新能源汽車在扭振狀態(tài)下，其車身所承受的載荷往往與其相反，從而導致其左、右側(cè)車身發(fā)生不同程度的變形[5]。對新能源汽車進行臺架試驗，得出該車型的車體承載扭矩M、FL扭矩，扭矩角度θ，車輪間距L。按尺度設(shè)計，以相應(yīng)的尺度構(gòu)建骨架模型，加載與限制，得到梁的抗扭剛度及變形量。

在一定的變形條件下，整個車體都將因垂直力而產(chǎn)生變形，變形量即為車體抗彎剛性?？箯潉偠仁窃u價汽車整車剛度的一個重要指標，其變形量通常定義為變形量，也就是加載時的變形量[6]。通過對汽車前后懸掛固定點的測試，得出了前后懸掛固定點的E向變形及后懸掛固定點的定位情況。在單側(cè)荷載作用下，采用簡支梁的彎曲剛度相關(guān)原理，求出其對應(yīng)的彎曲剛度。以抗彎剛度為Z，以中心載荷為F，以I為車距，用x表示前車軸中心和偏移測定點之間的距離，用a表示后車軸中心到承載位置的距離，用b表示前軸中心到承載位置的距離，I=a+b，x1表示測點撓度。結(jié)果顯示：整車的扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度能夠滿足相關(guān)要求。

3結(jié)語

新能源汽車車身安全性設(shè)計涉及材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和車身優(yōu)化設(shè)計等方面。應(yīng)采用鋁合金、碳纖維等新型高強輕質(zhì)材料，提高車身剛度及抗沖擊性能；注意車身的整體性、穩(wěn)定性，并對其進行合理的布置與連接，保證在受力情況下仍能保持較完整的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

參考文獻

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