燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究_cae_产品创新数字化(plm)_587

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1、燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究_CAE_产品创新数字化(PLM)前言   目前，大多数燃料电池轿车还都是基于传统的内燃动力原型轿车改装而成的，这样经过大幅度结构改动的燃料电池轿车与其原型轿车在碰撞安全方面存在一定差异，其对乘员的碰撞保护也就不能再等同于其原型轿车。而且燃料电池轿车由于车载氢燃料系统以及高压的电驱动等模块的存在，因此一旦发生碰撞，则存在诸多安全性隐患同样值得关注。车辆碰撞安全性的研究与开发过程中较为常用的一般方法为实车碰撞试验和有限元虚拟仿真计算。由于燃料电池轿车改装的动力系统复杂且昂贵，无法多次采用实车试验的形式进行安全性研究，故基于

2、计算机仿真技术的“虚拟碰撞试验”对燃料电池轿车更具有意义。   作者针对某改装型氢燃料电池概念车，对比分析了其碰撞安全性方面的问题，并作出了相应的改进设计。以此总结出针对不同的碰撞工况，改装型燃料电池轿车相对其原型轿车的碰撞安全性变化趋势，为日后燃料电池轿车碰撞安全研究及法规的制定提供了重要的参考。1燃料电池轿车结构特点及其有限元建模1.1发动机舱区域   该燃料电池轿车的发动机舱内，将原型轿车的发动机及变速器整体去除，保留原来的前纵梁与副车架，加人了用于安装电控模块以及驱动模块的两套支架，如图1所示。   图1中上支架两侧与两侧纵梁连接，其上固定了

3、燃料电池轿车控制系统的大部分零部件，其中包括质量和体积最大的PCU以及水泵和空气过滤器等；下支架分前后两部分，固定在副车架上，其上安装了燃料电池轿车的主减速器及传动电机等大质量驱动模块；在两组支架之间连接了空气压缩机，如图2所示。图1原发动机舱内添加支架 图2发动机舱内部件组1.2地板下方区域   该车的动力模块(包括蓄电池、燃料电池及氢泵等)布置在车身的地板下方，布置形式如图3所示。图3地板下方电池模块   为了满足布置空间的要求，改型时将原型车的地板部分抬高了大约70mm，座椅下方横梁以及中央通道也进行了改动，如图4所示。图4地板上抬及部分结构改

4、型   电池模块与前舱内电机以及后方氢瓶通过数量众多的线束与管路相连，构成驱动燃料电池轿车的完整的动力体系。1.3后备舱区域   将原有的备胎槽设计改为氢瓶隔板，并且以该隔板为界，分别在其上下各布置一个氢瓶及氢瓶支架。氢瓶则由如图5所示的支架上的两条钢带固定住，钢带通过铆接与支架相连。在上方的氢瓶前端布置有穿过钢带的氢瓶限位杆。图5后备舱氢瓶模块1.4有限元建模   燃料电池轿车整车有限元模型可在其原型轿车有限元模型的基础上，严格参照实车的改装形式以及新部件实际的材料和固接方式，将新的动力系统模型以及改型后的新结构件划分网格，加入到原型轿车模型中。燃

5、料电池轿车基于原型轿车的有限元模型，采用同样的建模标准进行建模工作，该有限元模型具有较高的可信度。2燃料电池轿车碰撞安全性对比分析   鉴于该燃料电池轿车上述主要改动区域，利用LS-DYNA确定采用正面全宽碰撞、侧面碰撞和后面碰撞3种虚拟试验工况。2.1正面全宽碰撞2.1.1车身加速度波形   图6为车身加速度波形对比图。从图6可知，该燃料电池轿车的正面碰撞波形特征明显相对于原型轿车更高更窄。燃料电池轿车加速度波形的峰值，即双梯形波第2阶段G2峰值约为41.5g，要比原型轿车的第2阶段G2峰值(约为32g)更高。该峰值越高，一般会对乘员头部及胸部造成

6、更为严重的伤害。碰撞时间越长，即波形平缓时间历程越长，对乘员的保护越有利，从图6可知，燃料电池轿车碰撞时间也要明显短于原型轿车。图6全宽正面碰撞加速度波形对比2.1.2吸能效率   两车前纵梁碰撞变形模式如图7所示。   原型轿车碰撞的前40ms阶段，前纵梁主要以吸能效率较高的压溃变形为主；而对于燃料电池轿车，20ms。时纵梁中段发生明显的弯曲变形，导致前端完全压溃之前，整个薄壁梁结构就发生失稳，吸能效率下降。从如图8所示数据上同样可以得到说明。图7前纵梁变形模式对比图8前纵梁吸能效率对比   燃料电池轿车由于质量增加，初始总动能比原型轿车高出约36

7、MJ，但是由于前纵梁变形模式不理想，能量吸收相比原型车下降了约7.1％，占总能量的比例也由36.1％下降到26.5％，这对于后方乘员空间的保护非常不利，势必造成更大的乘员空间侵入。图9氢瓶向后排乘员空间侵入过大   布置在后舱的氢瓶模块在正面碰撞中，由于较大的惯性，对于后排乘员空间侵入过大，限位杆没有起到很好的保护作用，如图9所示。2.2侧面碰撞   车门对应人体胸、腹及骨盆区域的侵入速度和对人体的伤害程度有很大的关系。经过计算，考察两车车门内饰件对应乘员肋骨、腹部以及骨盆区域的侵入速度以及侵入量可知：在乘员空间侵入量方面，燃料电池轿车相比原型轿车要

8、稍小一些；在侵入速度方面，对于胸部及腹部区域，两车的情况基本保持一个水平。但是对于骨盆区域在侵入速度曲线的“