电动汽车侧面碰撞仿真与优化

冯晓明，赵　强

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)



电动汽车侧面碰撞仿真与优化

冯晓明，赵强*

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

建立某款电动车侧面碰撞仿真模型，对仿真结果进行分析验证，采用正交试验的方法，把对影响车身侧碰性能的部件材料和厚度作为设计变量，将侧碰改进问题归纳成一个4因素3水平的优化问题，得出不同的设计方案，用后处理软件进行碰撞仿真分析，并运用极差分析法和矩阵权重分析法整理和分析试验结果，找到显著影响侧碰性能的部件，制定合适的改进方案，提升车身侧碰安全性。为改善左后车门前柱耐撞性，提高汽车侧面碰撞安全性能提供一定参考。

侧面碰撞；正交优化；仿真分析

0　引　言

我国发生的交通事故中，碰撞事故是主要事故形态[1]。作为发生概率仅次于正面碰撞的碰撞事故形式，侧面碰撞越来越受到广大汽车制造商和研究院的关注[2-4]。

电动车能源利用高、节能减排效果好，其研究和开发受到越来越多的国家和研究机构的重视[5]。电动车由于有电池、电机等部件的存在，与传统汽车相比，结构形式、质量分布等存在差异，电池、电线的结构布置也为被动安全设计带来了难度。所以在对电动汽车进行碰撞分析时，需要考虑电线漏电、电池受损等特殊情况[6]。因此，改善电动车的侧面碰撞安全性能，具有重要意义。试验有整车试验和计算机模拟[7]。20世纪60年代，美国就应用了计算机模拟碰撞这项技术[8]。国外侧面碰撞的研究主要集中在汽车侧面结构吸能特性[9]和人体响应方面[10]。由于整车试验具有破坏性而且十分昂贵，采用正交试验设计与有限元仿真结合进行试验，再用数学方法对数据进行处理分析，使数据更有说服力，能够节省研发经费，在减少计算次数同时找到对侧碰安全性能影响显著的零件，对改进方向有重要的指导意义。因此，针对正在开发中的某电动车为例，在验证有限元模型的有效性基础上，用正交试验的方法对关键部件的材料和厚度进行优化，提高其侧面碰撞安全性能。

1　电动车整车碰撞模型的建立与验证

1.1整车模型

这是一款四门五座的电动车，采用无B柱车身设计。本次仿真分析中，主要采用Ansa前处理软件，Ls-Dyna求解器和Hyperview后处理器。整车碰撞仿真模拟，必须真实的模拟实车碰撞时的状态，要模拟实车各总成之间的连接，按照其实际材料特性、密度和质量等参数进行设置，在本次模拟中，点焊采用spotsweld，缝焊、保护焊、铆接、螺栓连接以及铰接采用刚性连接，不考虑这些连接的失效问题。该整车有1580801单元，三角形比率为2.1%，没有超过10%，符合行业规定。

按照GB20071-2006法规要求，移动变形壁障的纵向中垂面轨迹应垂直于被撞车辆的纵向中垂面。移动变形壁障的纵向中垂面与试验车辆上通过碰撞侧前排座椅“R”点的横断面之间的距离应在±25 mm内，初始速度为50 km/h[11]。仿真时间设置为120 ms。整车侧碰模型如图1所示。

图1　整车侧碰模型Fig.1 Vehicle side impact model

1.2模型验证

侧面碰撞过程中，模型的碰撞能量变化曲线如图2所示，从图2中看出碰撞模型能量的构成情况趋于合理，碰撞过程系统的总能量基本保持不变，各能量之间的比例与实际情况吻合，能量曲线平滑无尖角。通过图3可知沙漏能最大不到总能量的5%，达到了模型分析标准的要求。由此说明此仿真模型的计算结果是可信的。

图2　碰撞能量变化曲线Fig.2 Collision energy change curve

图3　沙漏能比率Fig.3 Hourglass energy ratio

2　考核指标

在侧面碰撞结构耐撞性分析中，左后车门前柱直接影响碰撞时乘员的损伤情况。需要关注其侵入量和侵入速度，用以考核车辆的碰撞结构安全性。以左后车门前柱上部某点峰值侵入量、侵入速度作为考核指标。

3　优化设计

3.1优化对象的选取

根据经验和该车的实际情况，选取4个零件作为优化对象，如图4所示。如果这些零件的厚度和材料选择不当，导致零件过硬，碰撞能量不能通过其变形吸收而迅速传递到乘员身上；如果零件过软，导致碰撞时零件变形过大，压缩乘车空间对乘员造成更大的伤害，所以选择合适的材料和厚度对改善侧碰安全性很有必要。试验定义左后车门前柱上部某点处峰值侵入量和侵入速度为试验考察指标，零件的厚度和材料强度为试验影响因素。

图4　优化对象Fig.4 Optimization object　　注：A-左后车门前柱外板，B-左后车门前柱加强版，C-左后车门前柱内板，D-左前车门防撞梁

选择3种代表性材料作为防撞梁材料的3个水平。3种材料的基本属性见表1。把零件的原始厚度分别增加20%和减少20%作为厚度的3个水平，4个试验因素分别是左后车门前柱外板厚度、加强板厚度、内板厚度以及左前车门防撞梁材料，分别用a、b、c、d表示，见表2。

表1　材料试验因素

表2　试验因素

3.2正交试验设计

上面的优化问题中实质上这是一个4因素3水平的优化问题。如果采用全因子的试验方法，即将各种可能的组合都进行仿真计算，这种方法耗时长，数据信息量大。因此，引入正交试验的方法进行试验设计。该方法试验次数少，选取的数据点分布均匀且结论可靠[12]。

表3　正交试验设计

针对该车的碰撞优化问题构建了下面的正交表，按照表中利用Ansa依次对模型进行修改，用 Ls-Dyna对模型进行计算，然后使用 HyperView得到考察点的试验指标结果，并将表3对应补充完整，特别说明侵入量和侵入速度都取汽车侧碰方向的值。

3.3优化方案结果分析

通过对优化方案的计算，得到了9种方案的侵入量和侵入速度的数据。对数据进行显著性分析。显著性分析是指分析试验因素对试验效应的影响程度，根据显著性程度判断出试验因素的主次顺序。从而合理的控制试验因素的影响效应，提出接近优化目标的方案。

可以采用极差分析法对数据进行分析。首先计算试验指标在各因素各水平下的所有值的平均值，用Ki代表。接着计算极差，用N表示，指Ki中的最大值与最小值的差。极差越大，该因素对于试验指标的影响越重要。所以极差大小次序就代表了因素主次顺序。

对于该试验，包含4因素3水平，因此影响峰值侵入量和侵入速度的每个因素有3个水平平均值K1、K2、K3。试验中各因素水平对峰值侵入量影响的极差分析情况见表4，各因素水平对峰值侵入速度影响的极差分析情况见表5。

表4　峰值侵入量极差分析表

表5　峰值侵入速度极差分析表

参照表4中峰值侵入量得到影响左后车门前柱上部某点处峰值侵入量的各因素的主次顺序为c>a>b>d，相应的最优因素水平为c2，a1，b3，d3；同样由表5得到影响左后车门前柱上部某点处峰值侵入速度的各因素的主次顺序为a>d>b>c，对应的最优因素水平为a1，d2，b3，c2。经比较发现，两个考察指标的最佳试验条件是不一致的，且d因素的水平选择不一致，尝试使用矩阵型权重优化法来确定而获得最优方案。

矩阵型权重优化方法[13-16]是根据正交试验考察的指标、因素和水平的数据结构创建一个三层的分析模型来构造权重矩阵，见表6，分别表示指标层、因素层和水平层，且根据的是有p个因素，每个因素有q个水平的正交试验。

表6　正交试验的数据结构

第一步构造试验指标第一层的矩阵，定义正交试验p个因素中的第i个因素Aj，在第j个水平上的试验考察指标的算术平均值为kij，若试验考察指标的效应为越大越好时，则Kij=kij；反之，则Kij=1/kij，构造的第一层矩阵为L：

定义各个因素及各个水平影响试验考察指标效应的总权重矩阵为：W=LMN,W=[W1W2…Wq]T。

由于两个试验指标均追求越小越好，因此取Kij=1kij。以下是两个指标的六个矩阵因子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：

由总权重矩阵可以得到各个因素水平的权重值，值越大代表该因素该水平对于指标优化越好。通过其大小比较可得到上述影响左后车门前柱上部某点处侧碰指标的4个因素的主次顺序为：a>c>b>d，且相对应的权重最大的水平为a1，c2，b3，d2。因此最后确定的最佳方案是a1，b3，c2，d2，即 左后车门前柱外板厚1.2 mm，加强板厚2.4 mm，内板厚2 mm，左前车门防撞梁的材料用AL6082。将最初模型按照优化方案来定义和修改，然后进行仿真验证优化效果。

4　优化方案的验证

取左后车门前柱4个关键节点，位置分别处于中上部、中部、中下部和下部，测出改进方案的左后车门前柱峰值侵入量和峰值侵入速度。从图5和图6可以看到，实线所示的为改进方案的左后车门前柱侵入量、侵入速度均有所下降，提高了整车的侧碰安全性能。

图5　左后车门前柱峰值侵入量Fig.5 Peak intrusion for the pillar of the left rear door

图6　左后车门前柱峰值侵入速度Fig.6 Peak intrusion velocity for the pillar of the left rear door

图7是左后车门前柱4个关键点的侵入量优化前后对比曲线，所有粗线代表原系统模型的指标值走势，相应的细线代表优化后模型的指标值走势。所有关键点的侵入量的改进方案都比原始方案要小，表明优化方案成功。

图8是120 ms这个时刻左后车门前柱侵入模式云图，图左为优化前，图右为优化后，从图上可以看出，沿侧碰方向最大侵入量由276.2 mm下降到263.1 mm，起到了优化的效果。

图7　左后车门前柱关键点侵入量对比图Fig.7 Comparison of pillar intrusion of the key points in the left rear door

图8　优化前后左后车门前柱侵入模式云图Fig.8 Left rear door’s pillar intrusion contour before and after optimization

5　结　论

(1)通过有限元仿真与数学方法相结合，找到影响整车侧面碰撞性能的关键因素，即左后车门前柱外板厚度，指明了改进方案的方向，提高优化的效率，使优化效果显著。

(2)车体侧面结构中关键部件的材料和厚度对整车侧碰性能影响很大，在不影响成本的前提下，关键零件选择合适的材料强度和厚度，可以减轻对乘员带来的伤害，能够很好的改善整车的侧面碰撞安全性能。

(3)本文侧碰指标的数据，对日后结合假人模型试验、减小对假人的伤害有所帮助，使研究结果具有现实意义。

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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

黑龙江省留学归国人员科学基金(LC2015019)

冯晓明，硕士研究生。研究方向：汽车NVH与安全性技术。

赵强，博士，教授。研究方向：载运工具装备设计与功能创新。E-mail：qyangzhao@163.com

冯晓明，赵强.电动汽车侧面碰撞仿真与优化[J].森林工程，2016，32(5)：59-64.

U 465.72

A

1001-005X(2016)05-0059-06