新能源敞篷車車身設計優(yōu)化
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摘要：新能源軟頂敞篷車個性化十足、充滿時尚感和科技感，廣受年輕人青睞。軟頂敞篷車車身上缺少B柱和C柱結構，整車結構強度與剛度相對較低。針對軟頂敞篷車車身結構對整車性能及安全性影響問題，本設計通過對某款小型新能源軟頂敞篷車車身結構進行系統(tǒng)優(yōu)化，并結合CAE分析、碰撞試驗等驗證，總結了敞篷車車身開發(fā)技術方法，為敞篷車開發(fā)提供設計借鑒。
關鍵詞：敞篷車結構設計碰撞剛度分析優(yōu)化
1引言
隨著社會發(fā)展，人們物質生活水平的提高，敞篷車的時尚化、潮流化、個性化和酷炫化滿足了人們對個性化的追求。敞篷車車型缺少B、C柱，采用自動折疊篷蓋代替硬頂車頂，結構也更加復雜[1]，一體性較差。敞篷車對車輛性能和安全性要求更高[2]。目前車身結構技術及乘員保護技術尚未成熟。李磊等[3]利用杠桿原理對敞篷車車身結構分析，找出最優(yōu)的碰撞載荷傳遞路徑。王鉦強等[4]使用CATIA完成了四門敞篷車的車身設計，滿足了四門敞篷車對車身結構和強度的難度要求，并進行了實車驗證。本論文通過對兩座小型新能源座敞篷車白車身模態(tài)、剛度、強度、正面碰撞、側面碰撞建模分析以及整車實車驗證，為小型新能源敞篷車車身結構設計提供了一套可靠的設計方法。
2小型新能源敞篷車車身結構特點
為保護動力電池和合理布置整車載重，小型新能源敞篷車動力電池一般安裝于車身中部位置，而這也讓整個車身下部結構產(chǎn)生了較大變化。為確保足夠的成員空間，小型新能源汽車的前/后懸都設計得較短，在發(fā)生碰撞時，碰撞力傳遞、潰縮變形和吸能性能等方面表現(xiàn)較差。且其白車身上體為“敞開式”的結構設計，如圖1，A柱與B柱上端是“斷橋式”結構，其能量傳遞路徑是斷開的，能量無法從A柱上端向車后傳遞，需下車體結構承擔更多的碰撞能量傳遞和吸能作用。
3小型新能源敞篷車車身設計基本要求
小型新能源汽車的車身結構設計需滿足模態(tài)、剛度和強度等靜態(tài)性能以及國家汽車行業(yè)相關的動態(tài)性能及法規(guī)要求。如GB11551-2014《汽車正面碰撞的成員保護》、GB20071-2006《汽車側面碰撞乘員保護》、FMVSS-208《乘員碰撞保護》、GB11552-2009《乘用車內部凸出物》、GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》等。
4小型新能源敞篷車靜態(tài)性能分析及優(yōu)化
4.1車身模態(tài)分析及優(yōu)化
結合小型新能源敞篷車結構特點、整車性能指標以及對行業(yè)敞篷車結構對標分析，設定了敞篷車車身扭轉模態(tài)>22Hz，彎曲模態(tài)>25Hz和前艙橫擺模態(tài)>75Hz。因敞篷車上車體為“敞開式”的結構，車身抗扭轉/彎曲加強結構主要在兩側門檻上，如圖2（a）所示，并在動力電池正下方增加“X”形構件（b），其通過螺栓與車身連接。經(jīng)CAE仿真分析，各模態(tài)指標均滿足目標要求，如圖2（c）及表1所示。
4.2車身強度分析及優(yōu)化
車身強度即發(fā)生碰撞時車身抵抗變形的能力，車身強度不足時將導致車身發(fā)生開裂、斷裂、塑變及壓潰，使車身喪失安全使用功能而無法保乘成員安全。小型新能源敞篷車受車內空間需求、動力電池的布置及“敞開式”車身結構等因素影響，為保證車身強度，內部結構件采用了大量的高強度鋼板（強度＞1200MPa）。如圖3所示，車身門框前/后轉角處應力最大有138MPa（側圍外板材料>145MPa），車身結構強度滿足設計標準要求。
4.3車身剛度分析及優(yōu)化
車身剛度即車身抗變形能力，與整車耐用性、安全性、舒適性、駕駛性能等息息相關。結合新能源敞篷車性能定義要求，根據(jù)其車身結構特點，設定了剛度性能指標：扭轉剛度>8500N·m/deg、彎曲剛度>7500N/mm2。對標行業(yè)敞篷車車身結構，在動力電池正下方增加“X”形構件，CAE分析如表2所示，整車剛度滿足指標要求。
5小型新能源敞篷車動態(tài)性能分析
5.1GB11551-2014《汽車正面碰撞的成員保護》分析
小型新能源汽車整車尺寸小，為保證更大的乘員空間，犧牲了其前/后懸的長度，而前懸長度又直接決定汽車正面碰撞吸能空間，影響整車正面碰撞性能。為解決正面碰撞問題，設計了三條傳力路徑的三級傳力車身結構，如圖4所示。路徑①縱梁作為主要傳力通道，碰撞后第一時間有效地將碰撞力傳遞至門檻邊梁。路徑②副車架上設計一個吸能橫梁結構，通過副車架傳遞碰撞力至車身前三橫梁構件上，形成一個“空間三角體”傳力結構，再借助電池包兩側結構加強梁向后傳力。路徑③車身上設計一個“金字塔”式的Shotgun合件，作為第三條傳力路徑，將碰撞力通過車門上/下縱梁向后傳遞。如圖5所示，經(jīng)50km/h正面碰撞分析，乘員艙結構完整，滿足GB11551法規(guī)要求。
5.2GB20071-2006《汽車側面碰撞乘員保護》分析
敞篷車側面碰撞時，入侵車內乘員空間的主要結構件有車體門檻、B柱、車門和防翻滾裝置等，其碰撞力的傳遞路徑如圖6（a）所示。經(jīng)仿真分析可知，門檻與B柱處承受的力最大，此處車門入侵量也是最大的。為減小入侵量，優(yōu)化車身關鍵結構及零件選材，如圖6（b）所示：（1）將門檻結構截面增大，門檻內板采用料厚2.0mm的高強度熱成型鋼（1500MPa），同時加大B柱接角結構件；（2）車門后下角內增加一個料厚2.0mm的熱成型鋼（1500MPa）加強板。（3）車內增加“人”字形傳力熱成型管梁構件（1500MPa），管梁直徑φ25mm，料厚1.5mm。通過CAE仿真及實車碰撞驗證可知，該設計滿足側面碰撞法規(guī)GB20071-2006要求，如圖7、表3所示。
5.3GB20072-2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》及GB/T31498-2021《電動汽車碰撞后安全要求》分析
動力電池布置在車身前后軸之間，通過螺栓將動力電池與車身連接。結合動力電池安全性能要求制定了仿真評價指標：電池包及支架最大侵入量≤5mm，蓄電池及支架最大應變≤0.35。經(jīng)CAE仿真分析及實車驗證，結果如圖8所示，電池包侵入量為3.5mm，蓄電池及支架最大應變≤0.016，本設計滿足GB20072-2006、GB/T31498-2021要求。
5.4GB11552-2009《乘用車內部凸出物》分析
作為一款小型新能源汽車，以經(jīng)濟性為核心，簡化內飾造型及車身結構設計，避免內部凸出物超出法規(guī)限值要求。為保證基本安全性能要求，利用CAE模擬碰撞仿真，降低內部突出物高度設計，并經(jīng)試車碰撞驗證，其結果如圖9、表4所示，滿足GB11552法規(guī)要求。5.5GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》分析敞篷車無B柱上體結構，需在座椅后方設計一個：“虛擬B柱”為安全帶提供安裝點。結合敞篷機構布置要求，在后地板上設計截面積為35000mm2矩形結構，其與防翻裝置設計組成“龍門式”框架結構。經(jīng)CAE仿真分析，結果如圖10、表5所示，滿足GB14167法規(guī)要求。
5.6FMVSS-208《乘員碰撞保護》分析
受軟頂敞篷機構及其強度影響，需增加翻滾保護系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)由兩部分結構組成，如圖11所示。第一部分結構為在座椅靠背后增加一個“方梁式”防滾裝置，主體結構截面為矩形。其主體結構上方焊接兩根高強度折彎鋼管，通過焊接和螺栓連接的組合方式與車身側圍連接形成整體結構。第二部分結構為在左/右A柱增加高強度折彎鋼管結構，折彎鋼管通至B柱處。防滾裝置上的兩根折彎鋼管上端與A柱上的折彎鋼管的上端形成“理論支撐平面”，形成翻滾保護系統(tǒng)。模擬以48.5km/h時速，側向進行翻滾試驗仿真，翻滾過程中，地面最大受力為55kN，假人頭部離地最小距離大于32.5mm，車身結構入侵量均小于35mm，結果表明此翻滾保護系統(tǒng)滿足美國高速公路安全管理局（NHTSA）制定的FMVSS208測試標準要求，如圖12和表6所示。
5.7其它動態(tài)性能分析
根據(jù)敞篷車的特殊性和用戶應用場景出發(fā)，綜合實際工況，制定了2項模擬頂壓分析的工程指標：（1）頂部加載正向下裝置力，車身結構可承受力>45kN;(2)受力45kN時車身變形位移量<85mm。通過CAE仿真分析如圖13，本軟頂敞篷車最大可承受87.1kN，滿足目標設定;受力達45kN時，頂蓋變形量為83.Smm，滿足目標設定。
6結語
本文著眼于小型新能源軟頂敞篷車結構安全性不足的缺陷，對其內部結構進行優(yōu)化設計，并進行CAE仿真試驗驗證，結果表明，本設計安全性良好，符合GB11551-2014,GB20071-2006,GB20072-2006,GB11552-2009,GB14167-2013,FMVSS-208等國家安全標準規(guī)定，具有良好安全性，為敞篷車設計提供參考借鑒。
參考文獻：
[1]趙斌，董浩，黃波，等.敞篷汽車三段式折疊軟頂敞篷機構優(yōu)化設計.汽車實用技術，2018，（22）：75~77.
[2]朱宏林，楊延鵬.某車型敞篷版結構耐撞性的仿真分析研究.汽車與駕駛維修：維修版，2021，（5）：53~54
[3]李磊，陳宗好，朱志軍.敞篷跑車車身加強方案的研究.見：第八屆國際汽車交通安全學術會議.安徽，蕪湖，2010.126~130
[4]王鉦強，宋書全.純電動敞篷車的設計與開發(fā).汽車工程師，2013（3）：35~38.
作者:劉華官 覃大煜 單位:上汽通用五菱汽車股份有限公司
