汽车平台架构开发过程中安全性能的设计和仿真

周丹凤　李德根　涂金刚

摘要： 为实现汽车平台化开发策略，在平台内不同车型间最大程度共用底盘、下部车身、动力总成、电器架构和内饰骨架等部件，探索碰撞安全平台化设计的思路和方法。在对国内外安全法规和标准发展趋势分析的基础上，制定平台安全性能目标和开发策略。正向开发搭建完整的汽车平台框架结构，应用CAE仿真分析进行平台内车型碰撞安全性能的设计优化，最终达成平台安全性能开发的目标要求。在此基础上总结整理碰撞安全平台化开发设计流程，供后续平台开发项目参考。

关键词：平台化开发；框架；碰撞安全；正向开发

中图分类号： U461.91

文献标志码： B

Abstract：In order to realize the strategy of vehicle platform development， and to maximally share parts among different types of vehicles on platform， such as chassis， lower body， power assembly， electrical structure， interior frame， and so on， the thinking and methods of platform design for impact safety are explored. Based on the analysis of development trend of safety regulations and standards at home and abroad， the platform security performance target and development strategies are made. A complete vehicle platform frame structure in forward development is built， and the design optimization on impact safety performance of vehicle in the platform is analyzed using CAE simulation. The target requirement on platform security performance development is reached finally. The design process of impact safety development platform is arranged. It can supply reference for the platform development project.

Key words：platform development； frame； impact safety； forward development

0 引 言

汽車平台化开发在国外汽车企业中已得到较成熟的发展和推广，是大势所趋。平台化开发将同平台车型下部车身和绝大部分底盘设计固定，使设计优点在同平台车型中可以得到很好的传承。这不仅可以减少单个车型的设计缺陷、缩短开发周期，而且还可以减少后期样车试制和性能验证的试验费用，从而降低平台车型的研发成本，使车型具有稳定的性能，使企业具有更好的盈利模型，快速响应市场、抢占先机。

碰撞安全性是整车开发关注的重要性能之一，在平台框架搭建和前期开发阶段对其进行充分的研究具有重要意义。本文以某平台开发项目经验为基础，分析碰撞安全平台化设计的思路和方法，对平台开发前期概念设计阶段的安全性能开发进行解析。

1 汽车平台化开发的定义

1.1 平台化开发定义

汽车的平台化开发就是在开发过程中用相似度很高的底盘和下部车身结构，同时支持不同类型汽车的开发，后期不同车型产品的生产和制造都可以共用一条生产线，所生产出的车型外形和功能不尽相同。这样可以使得设计、工程、生产工艺和主要构件实现资源平台化共享。

1.2 汽车平台化开发的范围

平台化开发的基础是平台化部件开发。从产品子系统分块角度划分，平台化开发研究范围（见图1）大致可规划为如下几个系统：（1） 下部车身系统，包括发动机舱骨架总成、前后地板骨架总成和门槛总成等；（2） 底盘系统，包括悬架系统、传动系统、转向系统、制动系统、车架总成和四驱系统等；（3） 内外饰系统，包括座椅骨架系统和仪表横梁系统等；（4） 动力总成集成系统，包括发（动机）变（速）系统、悬置系统、进排气系统、冷却系统、燃油系统和空调系统等；（5） 电器系统，包括电器架构系统和线束能源系统等。[1]

2 汽车碰撞安全平台架构开发策略

在平台开发初期，应明确该平台所开发产品的预售市场及其在所销售市场的定位，也就是所谓的目标市场和产品定义。针对目标市场未来5～10 a的法规和标准进行研究，预测发展趋势，并且根据现状对安全定义的目标进行可行性评估，确定能否通过可行的技术提升满足未来几年上市产品所定义的目标。

2.1 安全法规和标准的发展趋势及平台化研究的重点

目前，世界各国、各地区都有相应的安全标准和技术法规，但归纳起来，所有汽车安全性技术法规可分为两大体系，即欧洲体系和美国体系，两者的考察范围不尽相同，具体如下。

（1） 美国FMVSS中的碰撞工况最复杂，考虑的范围较为广泛：碰撞方面包括100%正面碰撞、角度碰撞和40%偏置碰撞；乘员方面考虑大个子男性、小个子女性和是否系安全带等。FMVSS碰撞试验分为前碰、侧碰、后碰和动态翻滚等。

（2） 欧洲ECE工况较为简明，前碰包括100%正碰和40%偏置碰撞，侧碰包括50 km/h侧碰和29 km/h柱碰，但是新增加了对行人保护的相关法规。

随着全球化进程的推进，全球的法规和标准逐渐相互融合、相互弥补。中国的C-NCAP修订历程显示出逐步向Euro NCAP靠拢的趋势，有望增加侧面柱碰工况。Euro NCAP计划将100%全刚性墙正面碰撞纳入新车评价体系中，侧面柱碰工况也将参考美国标准提速至32 km/h；美国标准也逐步考虑对行人保护的相关要求。综合上述发展趋势，平台未来开发车型应将50 km/h正碰、64 km/h偏置碰、侧碰和柱碰工况纳入考察范围。[2-3]平台架构开发阶段重点关注2个前碰工况，侧碰和柱碰涉及上部车身结构较多，故在整车设计阶段完成，此处不予考虑。

2.2 平台架构开发中安全性能目标的制定及开发策略

安全性开发可以归纳为两大方向：一是主动安全开发，二是被动安全开发。主动安全开发多涉及电器和底盘的设计，主要是提升车型整体配置档次和人性化需求，与架构关系不大；被动安全开发涉及框架和布置等基础开发和约束系统匹配的问题，与平台架构密切相关，需在前期设计中考虑周到。对于平台化开发过程中的安全性能来说，整体的实现策略是平台内各款车型采用相似度很高的下部车身架构，通过不同配置和造型实现车型差异化，确保平台内车型均达标。

平台安全目标的制定应该有自上而下的策划过程，明确产品定义对安全性的要求，从而解读被动安全的碰撞星级要求。根据具体的星级要求，结合未来的发展趋势，制定能够满足前瞻性的安全结构方面的具体衡量指标和相关目标值，以此目标值作为平台架构开发的安全性能目标。平台框架的碰撞安全表现以此安全性能目标为衡量标准进行架构设计和开发。

在架构开发过程中，要有明确的策略实现平台的变化。平台内各车型的差异通过可变区域调整，见图3。（1） 前、后悬架的长短差异可变换整车前、后部造型；（2） 轴距的长短差异可实现整车大小等级的调节和乘员舱空间的调整；（3） 悬架长短和轮胎型号的变换可实现离地间隙和整车高度的变化。这些变化在同一平台均可实现，即平台具有包容性。与此同时，平台设计中还存在不可变区域，此部分的布置和设计对平台内所有车型是一致的，也是平台设计的关键。由于一个平台会涉及平台内所有车型的沿用，其优点可以继承，其缺点亦会并存，因此不可变区域的设计至关重要。

在前期开发阶段首先要明确平台内的轴距、整车质量和具体车型动力总成等输入，然后根据各项参数综合考虑质量、高度和轴距，设计能够承载产品定义带宽内的各车型的整车平台安全架构。对于整个平台而言，要求在允许的情况下各车型零部件尽量通用，但也不乏一些特殊车型的某些特殊要求，考虑车型局部差异化。

图3中的前悬可变区域与轮心到前挡板的不可变区域是平台安全碰撞设计的关键区域。首先，合理利用前悬可变形空间的压溃，最大程度吸收碰撞能量；然后，合理设计不可变区域的空间布置，减缓载荷对乘员舱的冲击；最后，设计稳固的乘员舱结构，保护乘员生存空间，从而在碰撞时控制对乘员的伤害。

2.3 平台开发中安全策略的实施方案

在整个平台开发过程中，安全策略具体实施方案的制定要因地制宜。因平台架构开发中主要涉及前碰的关键部件，故以前碰为例进行具体介绍。

前碰安全开发的主要影响因素有整车高度、质量，前舱的碰撞空间以及乘员舱的结构完整性等，重点考虑主要传力路径的搭建和具体关键件的结构设计。针对前碰分析模块，提取关键维度，根据质量要求对分析维度提出具体的属性要求。因此，需要大量的概念分析研究，才能制定能够满足目标的具体设计方案。前碰关键因素示意见图4。

（1） 前部碰撞空间。前部碰撞空间是前碰的主要吸能区域，碰撞产生的能量主要通过这部分空间

的变形来吸收，从而降低对乘员舱的破坏和对乘员的伤害。保证合理的碰撞空间是前碰的必要条件。

（2） 整车高度差异。一个平台需要考虑不同车型的规划，例如轿车、SUV、HB和MPV等。平台内车型之间的整车高度有差异，在前部偏置碰中会出现纵梁与壁障的重合率不同，由此带来整车载荷分布的差异。对于同一个车身，必须兼顾不同状态下的传力稳定性，例如可以将前保总成的吸能盒设计成单侧倾斜，在组装时不同车型的前保总成正装或反装以适应整车高度差异。

（3） 传力路径。平台内主要的纵向框架路径均属于前碰力的传递路径。前舱最主要的传力吸能框架是2根纵梁；上纵梁作为辅助路径也起到传力作用，往乘员舱方向延伸；地板纵梁、门槛和中通道均属于关键的传力路径。必须确保这些主要平台框架结构能够顺畅地传力和合理地变形，所以要求其框架应具有必要的完整性和延续性。

除此之外，前碰关键件和乘员舱的结构设计也非常重要。按照前述设计要求对其初步框架进行搭建，具体的结构设计和优化借助CAE仿真手段，权衡其在平台内不同车型中的综合表现。

3 平台化开發CAE仿真设计思路

3.1 前碰框架的设计

前碰主要涉及2个工况，即100%刚性墙碰撞和40%重叠壁障偏置碰撞。根据不同法规和标准，有的可能考察其中之一（如GB、Euro NCAP），有的2个工况都需要考察（如C-NCAP）。在车型开发阶段，两者都需要考虑。在汽车前部碰撞过程中，车内乘员的损伤主要来自于几个方面的作用和相互作用，包括巨大的车身减速度对乘员造成的冲击、车身乘员舱结构变形对乘员生存空间的侵占、乘员在车内发生二次碰撞等。

前碰框架的设计既要考虑在100%正碰中前舱空间能够稳定压溃，又要保证在40%偏置碰撞中壁障先于整车变形，吸收更多碰撞能量。车辆前碰设计阶段应尽可能利用前舱的有效可变形碰撞空间，最大程度地吸收碰撞能量，使碰撞造成的乘员舱变形尽量小。碰撞安全的基本原理即能量守恒原理，见图5。

除碰撞能量吸收外，前碰的重要设计准则还包括载荷传递结构的设计。完整的框架设计使碰撞产生的力能够顺畅传递，并合理地分布，见图6。牢笼式“O”型结构见图7，该设计可使乘员舱结构稳固，保证足够的生存空间。

3.2 前碰CAE虚拟仿真设计和验证

CAE虚拟仿真是项目概念设计的有效手段。概念设计阶段首先设计关键零部件和子系统，零部件的截面大小、形状和力学特征均需在CAE虚拟仿真中进行研究，在零部件子系统分析中得到较为理想的结构后进行系统试验验证。经验证可稳定变形的零部件才能搭载到完整的平台框架中，进行整体结构的匹配与调整。综合考虑平台的容量，定义模型整备质量为平台最大质量，动力总成以规划主销为主要分析对象，同时考虑不同高度车型的碰撞表现。综合不同高度车型的表现对前碰的2个工况进行优化设计，这也是平台碰撞安全开发的难点，需要大量循环往复的分析计算寻找方案。综合平台内不同高度车型的碰撞变形形式，其中高度差异对前部偏置碰的影响尤为明显，涉及整车传力路径、壁障不同碰撞块的接触和力的传递问题。最终得到一个鲁棒性较好的结构，其在不同高度下偏置碰的车身结构变形基本保持一致，从而保证平台内车型碰撞结果的一致性。[4-6]

仿真设计方案在碰撞中的实际表现需要通过试验验收和评价。平台整体架构设计方案仿真分析完成后进行Mule Car试验，验证前期设计的有效性，确保平台架构设计方案进入实际工程设计阶段之前安全性能达标，为后期工程设计打下基础。平台安全性开发流程见图8。

3.3 SUV和轿车前部偏置碰表现对比

通过上述仿真优化，最终不仅需要得到满足目标值要求的结果，更希望得到在碰撞过程中可以同时承载不同车型差异的平台架构。这就要求在考虑不同车型高度差异时平台框架保持相同的变形模式，反应到最终表现形式上即同平台内不同车型车身加速度波形趋势和峰值保持在可接受范围内，乘员舱侵入量基本保持一致。以前部偏置碰工况为例展示该平台框架SUV和轿车车型的表现，其车身加速度波形对比和乘员舱侵入量对比分别见图9和10。

不同车型高度的差异对偏置碰中加速度波形和前挡板乘员脚部区域位移影响较小，通过兼容式设计可基本保持SUV和轿车碰撞结果一致。

4 结束语

介绍汽车平台化开发的范围和意义，阐述平台化开发策略和具体的实施方案，从仿真角度对汽车碰撞平台化开发流程进行分析，提出汽车碰撞安全性能平台化开发的思路和方法，由此可大大缩短车型研发周期，快速响应市场需求。对于未来的市场导向，还应该在平台开发中将新能源车型进行同步规划，以适应市场对新能源车的需求，并结合新材料、新工艺的发展，考虑车身结构轻量化设计[7-8]。

参考文献：

[1] 陈家瑞. 汽车构造[M]. 2版. 北京： 机械工业出版社， 2005： 40-41.

[2] Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocol for adult occupant protection v8.0[S/OL]. （2014-6-12）[2018-05-01]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1436/euro-ncap-assessment-protocol-AOP-v80-june-2014.pdf.

[3] 中国汽车技术研究中心. C-NCAP管理规定（2018年版）[S/OL]. （2018-04-27）[2018-05-01].http：//www.c-ncap.org/upload/201804/c-ncap 2018.pdf.

[4] 朱西产， 钟荣华. 薄壁直梁件碰撞性能计算机仿真方法的研究[J]. 汽车工程， 2000， 22（2）： 85-89.

[5] 杨帅， 侯延军， 張亚军. 基于LS-DYNA汽车纵梁前段结构压溃与吸能特性研究[C]// 第17届汽车安全技术学术会议论文集. 保定， 2014： 359-365.

[6] 张敏文， 范体强， 赵清江， 等. 防撞梁零件性能分析的方针和实验研究[C]// 第17届汽车安全技术学术会议论文集. 保定， 2014： 326-334.

[7] 王月， 申波， 孙立志， 等. 高强度钢板在轻量化研究中的应用[C]// 第17届汽车安全技术学术会议论文集. 保定， 2014： 335-341.

[8] World Auto Steel. FSV-EDAG phase 2： engineering report[Z]. Germany： EDAG， 2014： 66-85.

（编辑 武晓英）