新能源汽车全塑结构在防撞安全性提高中的应用

乔玉杏 田立然

摘要：近年来，为响应国家节能号召，新能源汽车被广泛应用起来。高分子材料结构汽车作为一种低能耗、零排放的全新制造理念逐渐成为研究热点，目前塑料高分子材料仅作为零部件用于汽车制造中，因此本文提出一种全塑结构新能源汽车，并对其防撞安全性进行研究。

关键词：工程塑料;逆向工程;三维模型;新能源汽车

引言

当下我国持续发展战略的提出使得不可再生材料的使用开始减少，一些机械制造行業开展寻求新的能源替代产品。在汽车行业，新能源汽车理念的提出是对我国可持续发展战略的积极响应，其中新能源汽车的全塑结构是其结构亮点，这种全塑结构抗腐蚀、耐热等性能都优于传统的金属结构，为了应对当下频繁的交通事故，文章对新能源汽车全塑结构在防撞安全性提高中的应用进行分析，旨在为进一步优化新能源汽车全塑结构提供有力参考。

1新能源汽车三维建模

1.1建立新能源汽车逆向三维模型前处理

逆向工程（RE）是一种根据对产品目标进行分型，逆向再现该产品设计特点的技术，主要应用于在不了解产品生产及设计过程的前提下，根据成品实物推理出产品三维几何模型及设计过程的硬件分析，可缩短新产品设计周期，降低企业开发成本及风险。下面对建立新能源汽车硬质聚酰胺泡沫材料全塑结构逆向三维几何模型前处理步骤进行说明。

1.1.1整车拆卸

根据汽车不同部件结构特点，采用低价值部件破坏性拆卸，重要部分零件非破坏性拆卸，尽量减小重构模型误差的方式进行拆卸，拆卸完成后可得到车身、底盘、动力系统、电路系统和其他附件。

1.1.2数据采集

使用测量设备测定并收集零部件表面的三维数据，形成初步三维模型坐标。其中结构简单规则的平面零部件数据采集可采用接触式测量方式，即采用传感器探头直接与被测零部件接触，测距仪等测量工具进行测量，完成标准件安装孔位等数据的精确测量和收集，该过程工作量巨大，检测精度高;复杂曲面零部件表面数据采集可采用非接触式测量设备，即利用光线、声波或电磁感应等测量原理，使设备和被测零部件表面产生相互作用采集大量密集的三维几何数据，该过程需提前对零部件表面进行预处理。

1.1.3点云数据处理

采集到的三维数据坐标点集合为一组高密度散乱点云，因此在进行三维建模前，需对点云数据预处理，提高重构精度。具体过程为：

（1）去噪和滤波处理，在传感器采集数据过程中，易出现噪声和小幅度激光毛刺干扰，使用Geomagic Studio工程软件对采集的云点数据进行滤波处理，去除噪声及滤波干扰，使图像表面更平滑，接近于真实状态。

（2）拼合处理，汽车车身表面为大型复杂曲面，需通过多次、多角度测量完成全部数据采集，多视拼合处理即为将不同视图转换成数据形式汇总成完整信息。具体过程为首先将原始数据置于同一坐标系内进行粗拼接处理，再利用迭代优化算法对坐标系参数进行旋转或平移操作，实现精确拼接。

（3）精简处理，高密度散乱点云坐标点集合中包含大量无用数据信息，对其进行精简处理，可以减小计算机建模工作量，同时防止无用数据信息对建模过程产生干扰，提高三维几何建模精度。

1.2新能源汽车三维模型重构

本文使用Siemens PLM Software公司推出的Uni-graphicsNX（UG）建模软件进行逆向三维建模，首先通过数据点及几何特征拟合出具有光顺性和高精度的网格曲线，要求曲线位置与曲率值为连续变化、曲率变化和应变能均较小、无多余拐点;然后根据精度要求重构出曲面图形。

2新能源汽车的全塑结构防撞安全有限元建模

利用LS-DYNA软件的BT单元在非全积分算法的支持下，对相应的薄壁单元的结构变化实时监督，对相应的结构变化分析。实际的有限元模型当中，汽车各个零件中的绝大部分零件都属于薄壁结构，选择薄壁结构网格单元可以实现对各个汽车零的管理和分析，以薄壁结构网格单元作为支持，解决实际工作中出现的弯曲和变形现象。网格自身的质量和有限元建模自身的实际精度有着直接的关系，其网格自身的各项数据例如网格尺寸、密度等都对有限元进度有直接影响。网格自身的尺寸较小、密度较大，则其实际的质量也就有保障。多边形结构部件碰撞后翘曲变形大，要增加单元网格量。

3新能源汽车全塑结构碰分析

以LS-DYNA系统化软件当中的BT单元作为技术支持，对相应的新能源汽车碰撞有限元进行建模并对模型进行分析，将实际的建模获取数据传输到Hyperview软件当中对各项数据进行切实的分析。新能源汽车自身的车身塑料结构存在较大的变形，且变形集中在汽车前端，由车身前端严重的翘曲变化可以得出新能源汽车的材料还存在一定的不足。受汽车生产材料的影响，不同材料的弹性不同汽车撞击后的损坏程度、危险程度也不同。例如，硬质聚酰胺泡沫具有良好的弹性模量，相应的汽车碰撞之后，材料可以少量回弹，进而减少碰撞过程中产生冲击力，减轻车内乘客受到的危害。此外，新能源汽车保险杠距离电池较近，碰撞发生后会对电池造成不同程度的威胁，考虑到汽车电气系统的安全性，保险杠的溃缩变形不能过大。仿真结果显示保险杠塑性结构溃缩变形并不明显，因此硬质聚酰胺泡沫材料可以应用到新能源汽车结构上，其本身具有足够的强度，且能够吸收大量碰撞能量。

3新能源汽车全塑结构的防撞优化

综上所述，通过对新能源汽车的全塑性结构以及主要的零件进行建模分析，得到碰撞发生后零件的内能变化及碰撞性能分析，并以数据和仿真结构作为依据提出以下具体优化方案：

3.1提高塑性结构厚度

塑料材质本身具有良好的弹性，在汽车发生碰撞后能够吸收碰撞能量，但是塑料材质不同于金属材料，其整体强度较弱，优化新能源汽车结构可以提高汽车塑料材料的厚度或者增加吸能部件，进而提高汽车的防撞安全性。

3.2加固保险杠或改变电池位置

新能源汽车保险杠近距离电池距离较近，一旦发生碰撞事故之后，很有可能威胁到的汽车的电气系统，为了减小碰撞对电池结构的威胁，可以通过在新能源汽车的保险杠进行必要的优化改善，通过在保险杠当中加入刚性材料，从而提高新能源汽车在发生碰撞后产生的变形量。可以对汽车的电池结构进行必要的调整，将电池设置在原理碰撞高发区的前部，将其安装到保险杠当中加入刚性，从而减缓汽车碰撞过程当中产生的冲击加速;此外，还可以改变汽车的电池结构位置，将其安装在汽车碰撞变形影响最小的三角区域，保障汽车电气系统的安全性。

4结束语

综上所述，高分子材料结构汽车作为一种低能耗、零排放的全新制造理念逐渐成为研究热点，目前塑料高分子材料仅作为零部件用于汽车制造中，对于新能源汽车全塑结构在防撞安全性提高中的应用分析，要认识到新能源汽车和传统汽车的区别，当下不可再生能源紧缺的背景将新能源汽车的使用推向高潮，只有充分的提高新能源汽车的安全性，才能够切实的促进新能源汽车的长久发展。

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