汽车双电机布置碰撞CAE分析与校核

江铃汽车股份有限公司 姚贤涛 徐莉 郑方强 郑欣 罗倩

本文从汽车碰撞车身结构耐撞性角度出发,针对江铃某车型四种双电机布置方案,分别进行了耐撞性CAE分析与计算,评估了不同双电机布置方案对汽车正面碰撞的影响。通过提取关键考察指标结果对比发现,电机布置在发动机前端靠后区域内,对碰撞结果更加有利,其乘员舱侵入量比其他三种减少了15%以上。该分析方法与选型原则可应用到汽车发动机舱内其他刚性部件的布置参考。

0 引言

汽车的被动安全性能研究,车身结构的耐撞性[1]仍然是最重要的基石,车身结构是汽车的骨架,承载了行驶工况和碰撞工况的绝大部分载荷。汽车发生正面碰撞时,为了减少乘员舱内的侵入和伤害,希望发动机舱内的有效空间越大越好[2],但受限于前悬长度的要求,其空间又不能太大。因此,在一定的有效碰撞空间内,刚性部件的布置方式极大地影响了碰撞结果。其原因是,刚性部件在碰撞过程中被视为不可压缩部分,当碰撞载荷传递到该区域内,不仅其自身无法变形吸收能量,而且在X向占据了一定空间阻碍了该区域内车身纵梁[3]结构的溃缩变形。另外,这些刚性部件的连接支架可能会搭载在发动机悬置安装支架上,这就会影响到悬置安装支架在碰撞时的变形或断裂模式[4],进而使得设计人员无法准确地控制该区域内的断裂释放载荷设计,导致传递至乘员舱内的冲击惯性较大对乘员损伤造成严重后果。

本文的研究对象双电机布置,恰恰是安装发动机舱内的一个较大刚性部件。因此,该电机的布置选型对汽车正面碰撞的影响至关重要。

1 双电机布置方案

本文所研究的内容包驱动两套动力系统共四个双电机布置方案。为了方便描述与横向对比,现对四种方案结合图1的示意,做以下说明:

图1 四种双电机布置示意图Fig.1 Schematic diagram of four kinds of dual motors layout

图1 课程思政教育目标Fig.1 Teaching purpose of ideological and political thoughts in a course

方案A:双电机两端均安装在汽油机壳体上;

方案B:双电机一端安装在汽油机壳体上,另一端安装在悬置支架上;

方案C:双电机两端均安装在柴油机壳体上;

方案D:双电机一端安装在柴油机壳体上,另一端安装在悬置支架上。

在如前言所述,双电机布置在发动机舱内后,整个发动机系统X向的刚性空间距离,是影响车身纵梁结构耐撞性的重要因素,本文首先从CAD数据上,对四种方案的X向刚性空间做了详细对比,其结果如表1所示。

由表1可得知,就X向刚性空间而言,方案B的布置对碰撞最为不利,其原因是布置了双电机之前,占用了更多的X向可压缩空间,可能会导致在发生正面高速碰撞时,纵梁的轴向压溃不充分,从而减小车身变形带来的吸能量。另一方面,我们还需要考虑电机布置在悬置支架上的影响,因为对高速碰撞来说,由于冲击力量较大,悬置支架非常容易断裂,此时,电机安装在悬置支架上无形之中增加了支架的强度,其可能产生的结果是,高速碰撞悬置支架不断裂或者部分断裂,高速冲击载荷无法通过悬置支架断裂卸载,传递至车身上的能量则会更多,导致车辆加速度上升,对乘员舱的人体保护十分不利。

表1 四种方案的X向空间对比Tab.1 X-space comparison of the four schemes

2 双电机碰撞CAE分析

双电机刚性部件对汽车碰撞的影响涉及到多个工况,本文综合考虑了国标所规定的正面碰撞工况(50kmph FRB)和正面偏置碰撞工况(64kmph ODB)、CNCAP所规定的正面对撞工况(50kmph MPDB),工况介绍可参考Safety Companion[5],如表2所示。

表2 双电机布置方案碰撞CAE分析矩阵Tab.2 Collision CAE analysis matrix for dual-motor layout

基于以上碰撞CAE分析矩阵,为了保证横向对比的准确性,本文统一使用求解软件

LS-DYNA R9版本,64CPU的MPP计算模式,并规范了分析过程中的一些关键信息如下:

(1)整车有限元模型,除动力系统和方案本身的区域外,其他部分完全一致。

(2)CAE模型单位制,采用S2单位制,即mm-s-T。

(3)初始化定义,主要指的是整车碰撞速度和车轮初始旋转角速度。以50kmph FRB为例,需要把整车碰撞速度50km/h单位转化为13889mm/s,在DYNA关键字设置中则表示为:VX=-13889,注意检查初始化的速度方向是否正确。

(4)模型一致性检查,包括计算前和计算后的检查:

计算前,检查各个部件的材料、厚度连接关系和接触设置,同时,可以在前处理软件中检查是否存在过小的时间步单元和模型的质量增加范围,计算时间步过小会影响计算时间,质量增加范围一般控制在不超过模型总质量的5%。

计算后,检查能量是否守恒。能量守恒是计算结果有效性的基础,在保证总能量守恒的前提下,应控制沙漏能与滑移应变能小于总能量5%,如果总能量不守恒,可通过查找各个部件的内能、动能及质量缩放来找出异常部件并修改至正确状态。

本文通过4方案、3工况的矩阵式数值仿真分析,求解动力系统搭载不同双电机后,对碰撞结果的影响,旨在从中选取出较为理想的双电机布置方案,为其他车型布置在该区域内的零部件设计提供有效的参考依据。

3 碰撞CAE分析结果对比

3.1 右前纵梁吸能和变形模式对比

由于四种双电机布置方案,其空间位置均位于发动机舱内的右前方,最有可能影响车身变形的区域是右前纵梁,而纵梁的溃缩吸能直接影响了碰撞结果的两项关键指标:乘员舱内的侵入量和车身加速度曲线。本文通过右前纵梁的吸能量和变形模式对比,可以快速直观地判断四种方案的优劣性,如图2所示。

图2 三种工况右前纵梁吸能量对比Fig.2 Comparison of energy absorption of right front longitudinal beam in three working conditions

从以上三种工况的右前纵梁吸能量可以看出,方案B的右前纵梁在50FRB和64ODB高速碰撞工况下,其吸能量均处于最大位置,在50MPDB高速碰撞工况下吸能量也较大,换名话说,在右纵梁上的悬置支架未按照其设计意图承担起断裂所载能量的作用,导致大部分能量通过右纵梁本身的变形来实现传递。

通过图3、图4、图5的右前纵梁变形模式对比可以发现,四种电机布置方案,其右前纵梁变形差异较大,从与实际碰撞试验结果对比来看,方案A最接近真实状态,其根本原因是电机布置不影响悬置支架的断裂变形,发生碰撞时,纵梁的变形与吸能量一致性较高。

图3 50kmph FRB右前纵梁变形模式对比Fig.3 Comparison of deformation modes of 50kmph FRB right front longitudinal beam

图4 64kmph ODB右前纵梁变形模式对比Fig.4 Comparison of deformation modes of 64kmph ODB right front longitudinal beam

图5 50kmph MPDB右前纵梁变形模式对比Fig.5 Comparison of deformation modes of 50kmph MPDB right front longitudinal beam

3.2 碰撞关键考核指标对比

为了进一步分析四种方案的差异,本文从可能对乘员造成伤害的多个角度出发,整理出与之有关的碰撞关键考核指标,用于分析判定计算结果的优劣。以差异最大的碰撞工况50kmph FRB为例,对结果数据进行详细解析,如表3所示。

表3 四种方案关键考核指标对比Tab.3 Comparison of key assessment indicators of the four schemes

3.3 燃油完整性分析结果对比

无论是国家法规还是CNCAP评价,均包含了汽车碰撞后燃油持续泄漏量不超过30g/min的要求,该项严控指标,反映到工程设计中,被解析为碰撞试验后燃油系统应当保证其完整性,即:燃油箱无破损、输油管和回油管无挤压变形以及整个燃油系统周边不应有尖锐物如凸出的螺钉或者金属翻边等。

本文所分析的碰撞CAE工况,同样需要评价双电机布置方案对燃油系统完成性的影响。图6所示为50kmph FRB碰撞工况中,方案A对燃油箱及管路变形量的影响结果。

图6 燃油系统(燃油箱及油管)完整性Fig.6 Fuel system (fuel tank and fuel pipe) integrity

无论使用哪种双电机布置方案,均对燃油系统完整性的影响较小,其原因主要有以下两点:(1)四种双电机方案均布置在发动机舱右前方,离燃油系统的空间距离都较远,碰撞时不会与燃油管路产生直接接触更不会挤压变形;(2)尽管双电机布置减少了发动机舱内的碰撞空间,但从碰撞过程的动画结果来看,整车的变形姿态中并没有出现刚性部件或者尖锐物体对燃油管路和燃油箱造成挤压损害。

4 结论

本文研究了四种汽车双电机布置方案,分别从X向碰撞空间、车身变形和吸能量、燃油完整性三个角度,双四种方案进行了详细CAE分析和对比,可得出以下几点结论:

(1)采用统一的前处理技术和求解器资源,是方案优劣横向对比的前提;(2)方案B占用了最大的X向刚性空间,对碰撞结果最为不利;(3)四种布置方案中,车身吸能量最大相差15%以上;(4)方案A对乘员舱内的生存空间最大侵入量为120mm,是四种方案中最理想的分析结果,可作为设计选型中首选方案;(5)由于双电机布置远离燃油系统周边,且整车变形姿态中未出现对燃油系统完整性的不利因素,四种双电机布置方案对燃油系统完整性的影响均可忽略。

引用

[1] Liu B,Villavicencio R,Pedersen P T,et al.Analysis of structural crashworthiness of double-hull ships in collision and grounding[J].Marine Structures,2021,76(3):102898.

[2] 水野幸治.汽车碰撞安全[Z].人民交通出版社,2016.

[3] 王冠群.正面碰撞过程中的前纵梁耐撞性研究[D].长沙:湖南大学,2014.

[4] 贾尚华,邵百明,薛喜才,等.发动机悬置支架断裂的失效分析[J].上海汽车,2019(10):50-53.

[5] Safety Companion 2020[Z].Germany:Carhs,2020:4,5,20,26,27.