基于美标的纯电动客车侧面碰撞仿真分析

王松，陈婉平，纪绪北（比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，广东深圳518000）

基于美标的纯电动客车侧面碰撞仿真分析

王松，陈婉平，纪绪北
（比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，广东深圳518000）

建立某纯电动客车侧面碰撞有限元模型，依照美国公共交通协会（APTA）制定的客车侧面碰撞试验标准，对客车进行侧面碰撞仿真分析，从乘员安全和电池安全两方面评价客车的侧面碰撞安全性，并对客车的结构进行改进。

纯电动客车；美国标准；侧面碰撞

相比于燃油客车，纯电动客车在结构防撞性上有更高的要求。这是因为在遭受撞击时，电动客车的车身结构一方面应能保护乘客不受伤害，另一方面也应能防止电池受到碰撞和挤压，避免发生电池泄漏、短路、爆炸、燃烧等危险事故［1-2］。

对于客车结构的防撞性，国外一些国家制定了一些相应的安全性强制法规［3］，如美国公共交通协会（APTA）制定的关于公共交通工具的行业标准就对公共汽车的防撞性作了明确规定。

本文是以比亚迪面向美国市场开发的一款纯电动客车为研究对象，依照APTA制定的关于公共汽车侧面碰撞试验规程，对其进行侧面碰撞仿真分析，评价客车的防撞性能，并评价电池在碰撞过程中的安全性，最后根据存在的问题对客车的结构进行改进。

1　客车侧面碰撞有限元模型

1.1客车有限元模型

被撞客车为一豪华城际客车，外形尺寸长×宽×高为13 500mm×2 550mm×3 500mm，其底架为三段式车架，中段车架下面从前到后依次布置的是一个行李舱和两个电池舱，电池舱内安装着四组电池包，左右各两组，对称分布。

忽略内外饰件、附属设备等非主要承载结构，保留车架、车身骨架、牛腿、电池包等主要承载结构。为了提高仿真精度，不应考虑蒙皮对客车侧面碰撞的影响［4］。将模型导入HyperMesh的LS-DYNA模块中，用尺寸为10的壳单元进行网格划分。碰撞分析对模型的网格质量要求较高，建模时应将每个单元的最小边长、翘曲度和雅克比都控制在合理范围内，并消除初始穿透。

电池舱门和行李舱门是遭受碰撞的关键位置。舱门的建模应符合其实际结构。该车的舱门可以向上翻起打开，建模时用一系列旋转铰模拟舱门上端的旋转机构，用Rigid刚性连接模拟下端的锁止机构；另外，电池包也是碰撞过程中重点关注的对象。电池包由电池包蒙皮、电池包骨架和若干电池块组成。对电池块简化建模，用壳单元构建其空间的外部轮廓。电池包有限元模型如图1所示。

悬架由弹簧系统、阻尼系统和导向机构组成。该系统结构复杂，一般采用弹簧、阻尼和柱铰的方式来简化建模［5］，通过在相应关键字中输入弹簧刚度和阻尼系数曲线来模拟空气弹簧和减振器。轮胎用壳单元来建模，以气囊的形式进行模拟。

材料需要定义的参数有密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和应力应变曲线。其中应力应变曲线对仿真结果有重要影响，需要通过样件拉伸试验获取。此外，弹塑性材料在高速冲击载荷作用下，还应考虑应变率效应［6-7］。文中所用到的钢材应变率参数C和P分别取40和5，铝材取6 500和1。最后，对整车模型进行配重，使其重量、重心位置与实车一致。

1.2碰撞有限元模型

本文侧面碰撞仿真依照APTA关于公共汽车侧面防撞性试验（TS23.2）进行。

APTA关于公共汽车侧面防撞性试验规定：客车的任何一侧（不包括门的位置）在受到一个时速40 km/h（25 mile），质量为1.814 t（4 000 lb）的汽车撞击后，在车身上对应于乘客H点的位置不应该有超过76.2mm（3 inch）的永久结构变形［8］。

考虑到重量为1.8 t级的碰撞试验车的实际尺寸应与一般轿车的尺寸相仿。本分析采用美标轿车侧面碰撞仿真中已经对标的移动壁障FMVSS214 barrier作为等效侧面碰撞试验车。保持该移动壁障有限元模型的重心位置不变，将其配重到1.814 t。

碰撞选择侧面结构强度薄弱且易发生危险的电池舱和行李舱的位置进行。将移动壁障有限元模型导入客车有限元模型，并调整碰撞方向正对舱门，定义客车的自接触、碰撞处的面面接触以及地面。设置移动壁障速度40 km/h、客车轮胎与地面的初始滑动摩擦系数0.7。最终建立的客车侧面碰撞有限元模型如图2所示。

2　仿真结果及结构改进

设定计算时间为200ms，将模型提交给LS-DYNA计算。计算结束后，在HyperView中查看计算结果。

2.1可信性分析

碰撞的初始能量是移动壁障的动能，在碰撞的过程中，由于车身结构以及移动壁障蜂窝铝的结构变形，动能逐渐转换为内能，动能逐渐减少，而内能逐渐增大；另外一部分是由数值计算引起的沙漏能和滑移能。这两部分能量的大小都必须控制在较小的范围内；此外，在计算的时候，系统会自动增加某些部件的质量。只有能量变化和质量增加在可接受的范围内，仿真结果才准确可靠［9］。碰撞能量曲线如图3所示。

从图3可以看出，碰撞过程能量变化合理，曲线光滑，沙漏能和滑移能保持很小的正值；此外，整个计算过程中，质量增加的最大值仅占模型总质量的0.9%。由此可以说明，本碰撞模型的网格质量较好，接触的定义以及各种求解卡片的设置也比较合理，仿真结果可信。

2.2乘员安全

图4为碰撞位置正上方两处乘员H点对应在车身上的两个测量点的侵入量曲线。H点是确定乘客在座椅中位置的参考点，它是躯干和大腿相连接的旋转点。从图4中可以看出，从发生碰撞开始，测量点的侵入量开始逐渐增大。到100ms时，测量点的侵入量达到峰值37mm。之后，碰撞逐渐结束，移动壁障与客车分离，客车左侧围开始回弹，侵入量逐渐减小，到200ms时计算结束。由于测量点的峰值最大变形只有37mm，可以判断最终永久结构变形会小于37mm，远小于APTA的规定值76.2 mm，碰撞处的结构强度满足APTA的侧面碰撞要求。

车身上对应于乘员H点处的永久结构变形较小，是因为该车下部布置的电池舱抬高了车内地板高度，座椅较高而撞击位置较低。受到侧面碰撞时，客车下部的电池舱门和舱内的电池包对抵抗移动壁障的侵入起了主要作用，吸收了大部分碰撞能量，而舱门上方受到的影响较小，测量点的侵入量较小。

2.3电池安全

侧碰中电池是否受到损坏也是本文研究的一个重要方面。可以以电池包骨架与电池块之间是否产生接触力来判断舱内的电池是否受到碰撞挤压，以接触力的大小判断电池块受碰撞挤压程度的大小。碰撞中电池包骨架与电池块的接触力曲线如图5所示。

从图5可以看出，电池包骨架与电池块之间的接触力在约18ms的时刻产生并瞬间增大。在50ms的时候，接触力达到最大值，约56 900N，随后接触力开始减小；到70ms时，达到一个极小值，70ms后接触力又逐渐增大；到80ms时，达到一个极大值后又开始减小，之后接触力逐渐减小，最终变为零。在整个碰撞过程中，电池包骨架与电池块之间不但产生了接触，而且最大接触力达到了约56 900N，这说明电池存在着较大的安全风险。

以上是移动壁障撞击中间舱门的仿真结果。用同样的方式将移动壁障对准客车左侧另外两个舱门进行碰撞仿真。结果显示，三个碰撞位置，乘员安全均能满足APTA的侧面碰撞要求，但舱门的侵入量都较大，两处电池舱内的电池均存在较大的安全风险。

2.4结构改进

在后处理中可以发现，碰撞发生后，移动壁障的冲击引起了电池舱门骨架和侧围结构的向内凹陷变形，移动壁障推动着舱门撞击电池包，电池包骨架受到碰撞后变形，进一步压缩内部电池块，导致电池损坏。碰撞中电池舱门骨架、侧围上舱门左右两侧的立柱以及侧围最下端纵梁的变形幅度很大，未能有效地抵抗移动壁障的侵入，结构强度薄弱。

针对以上问题，需对局部结构进行加强，结构的加强不应影响舱门的正常开启，可进行如下结构改进：在电池舱门骨架上加装一根槽型梁并在槽型梁内部再焊接两根口型梁；在舱门左右两根侧围立柱与车架之间各加装一根y向的支撑梁；在电池包底部的车架和侧围最下端纵梁之间加装三根y向的支撑梁。

对结构改进后的模型再次进行碰撞仿真，得到电池包骨架与电池块之间接触力曲线，如图6所示。在整个“碰撞”过程中，电池包骨架与电池块之间的接触力始终为0。说明在整个“碰撞”过程中，电池包骨架与电池块始终没有产生接触，电池处于安全状态。

3　结论

通过对该客车的侧面碰撞仿真，得出以下结论［10］：

1）该客车的防撞能力能满足APTA关于公共汽车侧面碰撞乘员保护的法规要求，但电池安全存在风险，客车局部强度需要加强。

2）通过加强舱门骨架结构强度和在侧围与车架间添加几根y向支撑梁后，电池安全风险问题得到了解决，说明沿着侧碰方向布置的支撑梁对抵抗侧面碰撞的效果明显。

3）目前国内还没有关于大客车侧面碰撞安全性强制法规，相关的研究也少。希望本文提出的基于美国标准下的纯电动客车侧面碰撞仿真的研究方法能给今后这方面的研究提供借鉴。

［1］王震坡，王越.纯电动客车侧碰撞有限元建模及仿真分析［J］.北京理工大学学报，2013，33（3）：266-270.

［2］邹俊，桂良进，范子杰.燃料电池城市客车侧面碰撞有限元分析［J］.汽车技术，2009，（4）：4-7.

［3］高水德，张绍理，姚常青.国外客车被动安全研究［J］.客车技术与研究，2006，28（3）：8-9.

［4］毛英慧，何新，酒军亮.蒙皮对客车侧面碰撞仿真精度的影响［J］.客车技术与研究，2011，33（3）：9-11.

［5］胡志远，曾必强，谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［6］漆露霖，成艾国，赵敏，等.应变率效应对整车侧碰仿真的影响研究［J］.计算机应用与软件，2011，28（8）：100-102.

［7］王国春，成艾国，高晖，等.材料应变率对汽车碰撞性能影响的研究［J］.汽车工程，2010，32（6）：482-485.

［8］APTAStandard Bus ProcurementGuidelinesSectionsTS23.2.

［9］朱江森，郭艳茹，陈剑.某车门碰撞性能分析及结构优化研究［J］.汽车科技，2011，（5）：16-19.

［10］庞通，邓国红，杨鄂川，等.某乘用车侧面碰撞性能分析及结构优化［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2013，（12）：22-28.

修改稿日期：2015-04-02

Simulation Analysison Side Im pact for Pure Electric Bus Based on American Standard

Wang Song，ChenWanping，JiXubei
（Automotive Engineering Research Institute，BYDAuto Industry Company Limited，Shenzhen 518000，China）

Theside impact finite elementmodelofa pure electric bus isestablished，and the side impactsimulation analysis for the bus is conducted in accordance with the standard about the bus side impact test constituted by American Public Transportation Association（APTA）.The side impactsafety of the bus is evaluated by the safety of passengersand thesafetyofbatteries，then thestructureof thebus is improved.

pureelectric bus；American standard；side impact

U469.72；U 467.1+4

B

1006-3331（2015）04-0017-03

王松（1985-），男，硕士；结构分析工程师；主要从事电动客车结构有限元分析工作。