摘要：為實(shí)現某純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結構件的輕量化設計，在保證其電池包擠壓及連接安全的前提下，通過(guò)安裝電池包前、后側面碰撞過(guò)程傳力特點(diǎn)及結構件變形模式的對比，選出對性能影響較大的結構件，采用靈敏度及主效應分析法確定了所選結構件的材料。選取精度較高的近似模型，采用多目標遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，以厚度為設計變量、車(chē)門(mén)最大侵入量和質(zhì)量為優(yōu)化目標、門(mén)檻侵入量等為約束條件，獲得了最優(yōu)輕量化方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 車(chē)身 碰撞安全性 輕量化 多目標優(yōu)化

1. 前言

電動(dòng)汽車(chē)已成為解決環(huán)境和能源問(wèn)題的研究重點(diǎn)，同時(shí)，汽車(chē)輕量化是降低能耗、減少排放的最有效的措施之一。因此，對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行輕量化的同時(shí)，除考慮碰撞結構變形所引起的乘員傷害外，還需要考慮動(dòng)力電池在碰撞中受到擠壓時(shí)起火爆炸、安裝點(diǎn)失效等危害。

針對以上問(wèn)題，本文通過(guò)仿真得到某車(chē)型的側面碰撞結果，分別從碰撞過(guò)程中的傳力路徑、結構件變形模式、電池包安裝點(diǎn)安全性考慮，對比分析了安裝電池前、后的碰撞情況。將影響碰撞安全性的結構件作為設計變量，應用多目標優(yōu)化方法進(jìn)行輕量化設計，在保證側面碰撞安全性的同時(shí)，實(shí)現車(chē)身輕量化。

2. 電動(dòng)汽車(chē)側面碰撞安全性

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2.1 側面碰撞仿真模型的建立

本文使用的模型是由某純電動(dòng)車(chē)數模得到的有限元模型，整車(chē)質(zhì)量1 090 kg。車(chē)身上所有部件材料參數均由材料試驗所得，因此，仿真模型具有較好的計算精度，可以用于進(jìn)一步研究。

根 據 C-NCAP 的 試 驗 設 計 ，側 面 移 動(dòng) 壁 障 以50 km/h 的速度由壁障中心線(xiàn)對準前排座椅R點(diǎn)進(jìn)行沖擊，如圖1所示。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)結構

與傳統汽車(chē)相比，該電動(dòng)車(chē)在前艙區域安裝了雙橫梁支架，將電機控制器、驅動(dòng)電機及減速箱總成置于傳統汽車(chē)發(fā)動(dòng)機及變速器等位置，以螺栓連接的方式固定在支架上方，如圖2所示，高壓電器件集中在前艙的布置方式使得側面碰撞中有效避免了直接擠壓導致的漏電情況。

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)上的核心部件，與傳統汽車(chē)相比，其質(zhì)量大、儲能高的特點(diǎn)是其在側碰安全性中需要重點(diǎn)考慮的方面。該車(chē)動(dòng)力電池采用全包圍的形式將電池置于箱體結構中，并通過(guò)8個(gè)M10螺栓固定于地板下方，如圖3所示，電池包外殼與門(mén)檻內板間的距離為86.2 mm，GB/T 31498—2015要求任何車(chē)載可充電儲能系統(On-Board Rechargeable Energy Storage System，REESS)部分不應進(jìn)入乘員艙，在碰撞過(guò)程中不應爆炸、起火 ，所以設計要求門(mén)檻內板的相對位移量應小于80 mm，才不會(huì )導致側面碰撞中電池包的過(guò)度擠壓。

其次應考慮碰撞后乘員的生存空間。圖4所示為乘員與車(chē)門(mén)的初始位置，由圖4可知，ES-2假人胸部與車(chē)門(mén)內飾的初始距離為174.4 mm，側碰過(guò)程中B柱及車(chē)門(mén)都可能擠壓乘員胸部，考慮碰撞后的空間余量及誤差，車(chē)門(mén)及B柱的最大侵入量應小于150 mm。

國外大量試驗結果顯示，人體胸部的傷害與車(chē)門(mén)腰線(xiàn)(乘員胸部高度位置)侵入速度成正比，對于沒(méi)有安裝側面安全氣囊的車(chē)輛，得到肋骨平均變形量與車(chē)門(mén)或B柱的侵入速度之間的經(jīng)驗回歸方程：

式中， D rib 為肋骨平均變形量;v為車(chē)門(mén)或B柱的侵入速度。

由此確定車(chē)門(mén)及B柱的侵入速度應小于10 m/s。

2.3 結構件變形模式及傳力路徑分析

在側碰接觸范圍中對主要的結構件進(jìn)行分析，明確側碰過(guò)程中的主要傳力路徑及相應的主要變形區域。側面主要傳力結構主要為頂端支撐件、門(mén)檻、A柱、B柱、地板橫梁等，主要傳力路徑如圖5所示。

電池包布置在地板下方，碰撞時(shí)電池支架也會(huì )傳力，使得下車(chē)體結構和強度設計與傳統車(chē)不一致。B柱最大變形量示意如圖6所示，由圖6可以看出，安裝電池包后與無(wú)電池包時(shí)相比，B柱下部變形減小，但上部變形增大。B柱下部和車(chē)頂橫梁截面力如圖7所示，增加電池包后，B柱下部傳力增大，而車(chē)頂橫梁傳力減小，表明安裝電池包后車(chē)體下部剛度增大，而上部剛度相對降低，可能導致B柱中上部侵入量過(guò)大，增加乘員頭、胸部傷害風(fēng)險。

2.4 電池包安裝點(diǎn)碰撞安全性

從碰撞結果中提取安裝電池包的碰撞側4個(gè)連接螺栓所受拉力和剪切力，如圖8所示。各M10螺栓均為8.8級，許用拉應力為800 MPa，許用剪應力為480 MPa。

經(jīng)校核計算，連接螺栓的最大拉應力為97.2 MPa，最大剪切應力為96.4 MPa，遠小于許用值。電池包連接支架的應變?yōu)?.004，小于鑄鋁材料的斷裂應變，所以電池包連接不存在失效風(fēng)險。

3. 側碰結構件材料協(xié)調匹配

采用正交試驗法建立多項式響應面計算材料變量和輸出響應的關(guān)系，分析相關(guān)結構件的主效應情況，并通過(guò)帕拉托(Pareto)圖判斷各變量對響應影響的貢獻率，即靈敏度分析 ，為材料選取建立可參考的依據。

3.1 試驗因素水平選取

考慮到車(chē)身材料種類(lèi)較多，如果直接將材料的具體參數作為設計變量，不但會(huì )引入過(guò)多的設計變量，而且這些變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可能導致優(yōu)化得到的材料類(lèi)型不存在，所以按照材料強度直接選取材料類(lèi)型作為設計變量，而不利用材料參數。所選材料的相關(guān)參數見(jiàn)表1。

根據屈服強度將材料分為3個(gè)層次，并依次遞增，首先按屈服強度由低到高選取其中3種材料作為每個(gè)設計變量的 3 個(gè)水平，分別是 DC03、B250P1、B340/ 590DP，其余材料為備選，如表2所示。通過(guò)傳力路徑分析篩選出13個(gè)相關(guān)結構件作為材料匹配的對象，每個(gè)變量取3個(gè)水平構建L 27 (3 13 )正交表。

3.2 試驗結果及分析

根據 13 個(gè)變量各 3 個(gè)水平的正交試驗設計，在LS-DYNA軟件中對樣本點(diǎn)進(jìn)行仿真計算。由結果看出，門(mén)檻內板相對位移量均小于目標值80 mm，在側碰中對電池包影響較小，故只將車(chē)門(mén)最大侵入量y 1 、B柱最大侵入量y 2 、車(chē)門(mén)最大侵入速度y 3 及B柱最大侵入速度y 4 作為評價(jià)指標。對側碰過(guò)程中主要結構件進(jìn)行靈敏度和主效應分析，在各層備選材料中根據其與主效應的關(guān)系確定最終的材料。

最終確定13因素3水平試驗表，如表3所示。

將各樣本點(diǎn)的輸入和輸出值導入Isight軟件中進(jìn)行實(shí)驗設計，建立標準2階最小二乘多項式響應面，通過(guò)擬合的多項式的系數來(lái)計算輸入值與輸出值之間的關(guān)系，即主效應分析。同時(shí)，對多項式的系數進(jìn)行正則化處理可以得到Pareto貢獻率圖，使用百分比的方式直觀(guān)地表示因子對響應的貢獻大小，如圖9所示。

各構件對不同響應的主效應分析如圖10所示。主效應的數值越大，表明因子對響應的影響越大;正的主效應意味著(zhù)隨著(zhù)因子的增大，響應也會(huì )變大，負的主效應意味著(zhù)隨著(zhù)因子的增大，響應會(huì )變小。結合Pareto圖分析可知，總體來(lái)說(shuō)對各試驗指標影響較大的是結構件A~結構件I。編號為A的車(chē)門(mén)防撞桿材料對車(chē)門(mén)侵入量影響最為顯著(zhù)并呈負的主效應，意味著(zhù)隨著(zhù)材料強度的增大，車(chē)門(mén)最大侵入量將減小，雖然車(chē)門(mén)防撞桿材料強度的增大對B柱侵入量和侵入速度有正的主效應，但貢獻率很低，所以使用超高強度鋼如BR1500HS符合主效應分析。編號為B的A柱下外板材料強度增大對應車(chē)門(mén)最大侵入量減小，但同時(shí)車(chē)門(mén)侵入速度和B柱侵入速度會(huì )相應增加，參考其材料強度對車(chē)門(mén)侵入速度和B柱侵入速度貢獻率后，選定A柱下外板材料為B280VK。

基于以上分析，僅增加車(chē)身結構件的材料強度是不可行的，因此，綜合考慮結構件不同材料在各指標中的影響關(guān)系，盡可能使用高強度鋼來(lái)達到輕量化和強度要求，可以基本選定匹配材料。根據貢獻度分析結果，車(chē)門(mén)防撞桿、A柱下外板、A柱下內板、門(mén)檻外板、門(mén)檻內板、B柱外板、B柱內板、門(mén)檻加強件1、門(mén)檻加強件2對側面碰撞安全響應影響最為顯著(zhù)，因此，選擇這9個(gè)結構件作為輕量化的設計對象。優(yōu)化匹配后的各結構件材料如表4所示。

4. 側碰結構件輕量化

4.1 設計目標和變量

為了保證側面碰撞過(guò)程中乘員空間的設計要求，同時(shí)降低結構件質(zhì)量，依據上述各構件影響響應貢獻率分析結果，選取影響最為顯著(zhù)的9個(gè)結構件料厚作為尺寸優(yōu)化的設計變量，選擇了B柱最大侵入量、車(chē)門(mén)最大侵入速度、B柱最大侵入速度和門(mén)檻內板相對位移量作為安全性評價(jià)的約束條件，以9個(gè)結構件的總質(zhì)量最小和車(chē)門(mén)最大侵入量最小為設計目標。側面碰撞中結構件輕量化問(wèn)題的數學(xué)模型可定義為：

式中，M為構件總質(zhì)量;disD為車(chē)門(mén)最大侵入量;disB為B柱最大侵入量;vD為車(chē)門(mén)最大侵入速度;vB為B柱最大侵入速度;Δs為門(mén)檻內板位移量;ti為各構件厚度。

4.2 構件側面碰撞近似模型

為了提高優(yōu)化效率、減少整車(chē)有限元模型計算次數，采用近似模型對設計目標進(jìn)行尋優(yōu)。常用的近似模型有響應面(Response Surface Method，RSM)模型、克 里 格(Kriging)近 似 模 型 和 徑 向 基(Radial BasisFunction，RBF)模型 。本文采用均勻拉丁方試驗設計的方法對設計空間進(jìn)行了110次采樣，并得到其樣本點(diǎn)的計算結果，分別構建了以上 3 種近似模型，并隨機選出20個(gè)樣本點(diǎn)，通過(guò)對其平均相對誤差、最大相對誤差和決定系數R 2 來(lái)比較各模型的精度。誤差分析如表 5 所示，由表 5 可知，RSM 模型和 RBF 模型的平均相對誤差和最大相對誤差均高于 Kriging 模型，且兩個(gè)響應中 Kriging 模型的決定系數 R 2 均大于0.9，表明 Kriging 模型對于碰撞等非線(xiàn)性問(wèn)題有較好的擬合精度，滿(mǎn)足工程預測的要求，所以對車(chē)門(mén)最大侵入量和構件總質(zhì)量建立 Kriging 模型，并進(jìn)行之后的多目標優(yōu)化。

4.3 輕量化設計過(guò)程及結果分析

考慮到厚度與結構耐撞性?xún)?yōu)化設計模型的復雜性，采用非支配解排序遺傳算法NSGA-II對所建立的近似模型進(jìn)行多目標優(yōu)化 ，取種群規模100、進(jìn)化代數50、雜交概率0.9，圖11為得到的優(yōu)化設計Pareto前沿圖。由圖11可知，車(chē)門(mén)最大侵入量和構件總質(zhì)量最小是相互矛盾的響應，所以2個(gè)優(yōu)化目標是相互制約的。

將基于最小距離選解法得到的優(yōu)化解代入有限元模型中進(jìn)行仿真計算，得到優(yōu)化前、后的碰撞響應對比曲線(xiàn)，如圖12所示。

將初始設計與優(yōu)化設計的參數列出，如表6所示。由表6可知，通過(guò)優(yōu)化匹配車(chē)身重要結構件的材料和厚度，使得車(chē)門(mén)最大侵入量和所選構件總質(zhì)量分別降低了4.11 %和8.04 %，同時(shí)，從圖12中可以看出，各項碰撞響應均優(yōu)于初始值，從而在保證車(chē)身碰撞安全性的同時(shí)實(shí)現了輕量化。

5. 結束語(yǔ)

a. 通過(guò)對比電池包安裝前、后碰撞過(guò)程中結構件傳力及變形模式發(fā)現，電池包布置于地板下的電動(dòng)汽車(chē)下車(chē)體剛度較傳統車(chē)偏大，導致車(chē)體中上部結構件在側碰過(guò)程中變形較大，所以電動(dòng)汽車(chē)需要考慮安裝電池后車(chē)體側面上、下結構剛度的差異性。

b. 針對多目標優(yōu)化問(wèn)題，選取電動(dòng)汽車(chē)側碰安全響應的目標參數，采用均勻拉丁方實(shí)驗設計的方法建立了3種近似模型，并通過(guò)比較不同模型的精度選出擬合度最高的模型。

c. 采用非支配解排序遺傳算法NSGA-II對近似模型進(jìn)行優(yōu)化，得到Pareto前沿圖，依據最小距離選解法得到滿(mǎn)意解并進(jìn)行仿真驗證，結果表明車(chē)身碰撞安全性和輕量化均得到有效改善。