某纯电动汽车前保防撞梁设计

贾安祥　吴怀华　王平亮　王书

摘 要：随着纯电动汽车的飞速发展，纯电动汽车的整车轻量化和安全问题亟待解决。为了满足新能汽车日益增长的使用要求和高速纯电动汽车安全性能，本文提出一种新材料汽车前保防撞梁的设计结构。为了满足整车的碰撞性能以及轻量化要求，通过材料选择、拓扑优化、仿真分析，优化防撞梁的数据，提高了防撞梁的碰撞功能和轻量化。正碰试验结果表明该结构设计的防撞梁满足纯电动汽车碰撞安全使用要求。

关键词：纯电动汽车；轻量化；防撞梁；碰撞安全；仿真优化

1 引言

随着汽车保有量的不断增长，尾气排放日益侵蚀人类的生存环境，温室效应和雾霾无时无刻不在威胁着地球人的生存空间[1]。为应对全球气候问题，传统汽车强国除制定了更为严格的排放标准外，以中国、德国、日本和美国为主的汽车大国都在积极开发新型能源车辆，以期待排放更低，甚至是零排放；并且都根据各自国家的工业发展情况为促进新能源汽车产业的发展制定了相关的扶持性政策[2]。研究表明，汽车轻量化是影响新能源纯电动汽车的能量利用率和续航里程的关键因素，同时也应保证整车安全性能不低于传统燃油汽车。据统计我国汽车正面碰撞事故约占事故总数的32%，是导致事故死亡人数最多的原因[3]。因此，在保证轻量化的前提下新能源汽车正面碰撞安全性能问题至关重要。

目前国内对新材料汽车轻量化与碰撞安全的研究还处于起步阶段，取得的研究成果较少，汽车碰撞的研究成果主要集中在燃油汽车。不论何种类型何种动力的车辆，车辆碰撞安全是必须要保证的。汽车前保防撞梁总成是汽车车身的重要组成部分，是汽车碰撞（正碰、偏置碰）安全重要的受力吸能部件和结构；汽车前保防撞梁总成材料选择和结构设计的好坏直接影响汽车碰撞对乘员的安全保护能力，是汽车车身不可或缺的关键零部件[4]。为满足新能源汽车整车安全性以及轻量化要求，本文提出了一种新型的轻量化汽车前保防撞梁总成结构，并对其进行仿真碰撞验证其安全性能。

2 纯电动汽车前保防撞梁总成设计方案

2.1 传统燃油车前保防撞梁总成

传统燃油车或在燃油车基础改动开发的新能源汽车的前保防撞横梁结构如图1所示。前保防撞梁多用钢板，采用冲压成型焊接成封闭断面零部件，然后与吸能盒焊接成总成与前舱纵梁安装形成车辆碰撞安全的变形、吸能、承力的核心部件。

传统钢板结构件能很好的完成车辆碰撞安全，但总成零部件重量数量多，如图1中前保橫梁总成分别有3个子总成16个零部件和7个零部件；需要开发不同数量模具和工装，开发费用成本高，重量比较重近4Kg，有较大的优化空间。

2.2 新材料前保防撞横梁结构

本文设计的新材料前保防撞横梁结构将应用在轻量化纯电动汽车上。纯电动车的动力电池巧妙的布置在平地板下部，车身与电池包一体化设计结构能确保电池包系统的防护安全。电动车为后置后驱，前舱区域比较宽裕，有较好的缓冲空间。前保横梁总成采用铝型材挤压成型，左右两个吸能盒铝型材采用同一口型断面机加成零部件，左右通用；安装板采用5052铝板件，结构和零部件详细构成如图2所示。

汽车前保防撞梁总成是正碰安全的重要核心部件之一。采用用ANSYS软件搭建前保横梁总成的仿真模型，根据国家正碰标准试验环境，速度为50km/h，壁障类型为刚性墙，碰撞角取电动车纵轴0°，碰撞仿真模型如图3所示。

根据国标试验条件进行CAE仿真分析得到如下分析结果。

由机舱变形图可以看出，机舱整体变形量不大，呈现出刚体的特征，前机舱结构不稳定，纵梁吸能不足。通过上述分析结果得出左侧B柱下端加速度与右侧B柱下端加速度都非常大，而且B柱下端加速度最大值达到60.2g，这表明车身在正碰过程中变形很大。

为了使碰撞安全性能更优化，建议结构增加吸能盒长度30mm，前保横梁总成吸能更充分，延长加速度达到最大值的时间，同时也会降低最大加速度值。前保防撞横梁由封闭断面更改为开口断面，材料厚度由2.0mm调整为1.8mm，前保防撞横梁总成重量由2.82kg变成2.05Kg，较之前的减轻0.77Kg，是传统材料前保横梁总成重量的一半。优化后的前保横梁结构和零部件详细构成如图5所示。

根据修改的前保横梁总成数模，优化仿真模型调试网格到稳定状态，进行CAE分析，分析情况如图6所示。

由上图分析可得：前保防撞梁总成变形合理，吸能充分，前纵梁前部参与变形，后部状态稳定；正面碰撞过程中，整车加速度峰值53.3g小于目标值55g，达到设计要求；前保防撞梁总成设计结构合理，轻量化成果明显。

5 结语

根据整车轻量化的要求，前保防撞横梁总成采用的新材料和新的结构形式，通过CAE碰撞安全分析优化，轻量化的前保防撞梁总成设计结构合理，碰撞过程前保横梁总成变形模式理想，吸能充分，整车加速度峰值小于目标值55g，达到设计要求。优化后设计的前保防撞横梁总成相对自身减重0.77Kg，较传统材料前保横梁减重约50%；零部件只有5个，且部件简单容易成型，节省了模具和工装费用，是一次非常成功的轻量化新材料的结构设计和应用。

参考文献：

[1]张凯. 西安市机动车尾气污染控制研究[D]. 长安大学，2014.

[2]李黎.中国汽车产业国际竞争力研究[D]. 吉林大学，2012.

[3]王传青.白车身前端结构—材料—性能一体化轻量化多目标协同优化设计[D].2016.

[4] 陈绪.前保总成结构在轿车前碰撞中的耐撞性优化研究[D]. 湖南大学，2012.