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电动汽车尾部碰撞仿真分析方法研究

2021-08-26 267 上传者：管理员

摘要：随着电动汽车越来越普及,市场对电动汽车的安全性关注度越来越高,碰撞过程中的电池安全问题关注度更高,文章对电动汽车尾部碰撞仿真分析方法进行简析,基于LsDyna有限元仿真分析软件,阐述了尾部碰撞仿真分析的基本要求、模型建立、分析方法,以及仿真结果后处理要求,通过采用规范化的虚拟开发技术,大大缩短开发周期和开发成本,该仿真分析方法对试验前的摸底、优化验证和性能提升具有很好的指导作用。

关键词：
仿真分析
尾部碰撞
方法
电动汽车
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为提升汽车碰撞安全技术水平，降低碰撞事故人员伤亡率，我国已制定发布了一系列的汽车安全标准，建立了适应中国实际的、包含乘用车、商用车等多种车辆型式，涵盖覆盖正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞等多种碰撞工况，从整车级别到系统零部件级别的全方位的汽车碰撞安全标准体系。

GB/T 31498-2015[1]《电动汽车碰撞后安全要求》是我国电动汽车安全标准体系的重要组成部分，对于保证电动汽车碰撞安全性至关重要，但其只对电动汽车的正面碰撞、侧面碰撞提出要求，缺少后部碰撞要求，电动汽车动力电池主要布置在车身下底板处距离尾部更近，在车辆发生尾部碰撞过程中，很容易挤压到动力电池而发生安全事故[2]，因此很有必要对电动汽车尾部碰撞进行分析研究。本文章基于Ls＿Dyna，简析电动汽车尾部碰撞仿真分析方法，为电动汽车尾部碰撞目标开发提供方法上的参考。

1、分析要求

1.1软件工具要求

仿真分析离不开软件工具的支持，电动汽车尾部碰撞仿真分析根据分析过程范围的不同，需要使用到多种CAE分析软件，在网格划分、属性定义、载荷及边界条件、预加载范围，采用Hyper Mesh、Primer，计算采用Ls＿Dyna，后处理采用Hyper View。

1.2分析流程

电动汽车尾部碰撞仿真分析流程参照图1。

图1电动汽车尾部碰撞分析流程图

2、模型建立

2.1收集车辆零部件设计数模

主要收集整车车身、底盘、开闭件、可充电储能系统等CAD数模和焊点连接数据，其次是整车数据中零部件名称、零部件号、厚度和材料的BOM明细表，以及整车地面线相关信息。

2.2网格划分

通过Hyper Mesh建模，将整车CAD数据导入前处理软件Hyper Mesh中，以此对各部件进行网格划分。整车网格尺寸采用10 mm。网格模型质量应符合相关要求。

2.3定义材料属性

依据整车BOM明细表，按照各部件真实材质和料厚定义部件网格的材料和厚度属性。

2.4模型连接

模型连接包括以下两点：

（1）车身建立焊点。

车身焊点连接采用Beam或Hexa实体单元实现。

焊接采用下列连接方式：

(2）底盘连接。

底盘连接采用铰链连接以及弹簧连接两种方式：

1）柱铰链、旋转铰、万向节和球铰链等采用铰链连接：

2）螺旋弹簧和悬置采用弹簧连接：

3、分析方法

3.1碰撞整车模型

按照GB 20072[3]要求，整质量为整备质量，允许车辆的质量适当增加，但不超过其整备质量的10%。整车FE模型见图2。

图2整车FE模型

3.2导入及定位尾部碰撞移动壁障

根据GB 20072要求，导入尾部碰撞移动壁障（以下简称移动壁障）并进行定位。

移动车及碰撞装置总质量为（1 100±20)kg，移动壁障碰撞速度为50 km/h，碰撞装置移动方向应水平，并平行于被撞车辆的纵向中心平面，碰撞装置表面中垂线和被撞车辆的纵向中心平面间横向偏差不大于300 mm，移动壁障与整车位置关系见图3。

碰撞表面下边缘离地高度应为（175±25)mm，移动壁障与地面高度关系见图4。

图3电动汽车尾部碰撞工况示意图

图4移动壁障碰撞装置与地面高度示意图

3.3选择地面线

根据地面线数据，进行定义尾部碰撞仿真模型的地面线，从而确定整车前后轮胎和移动壁障的地面线。

按照GB 20072要求，选择图5中整备质量处的地面线为仿真地面线。

图5地面线示意

3.4接触定义

电动汽车尾部碰撞模型中需要定义的主要接触如下：（1)AUTOMATIC＿SINGLE＿SURFACE整车自接触；（2)TIED＿SHELL＿EDGE＿TO＿SURFACE焊点和component的接触；

(3)RIGIDWALL中定义轮胎和地面的接触；

(4)AUTOMATIC＿SURFACE＿TO＿SURFACE整车尾部和移动壁障的接触；

(5)FORCE＿TRANSDUCER＿PENALTY蓄电池模组间、蓄电池模组和电池外包壳的接触。

3.5 Control卡片定义

碰撞终止时间和时间步定义如图6所示。分析时间通常定义为120 ms。

图6控制卡片定义

3.6 Database卡片定义

在输出卡片中的（ASCII)＿OPTION和EXTENT输出卡片中分别设置接触力和塑性应变输出。

4、仿真结果后处理

4.1仿真结果准确性检查

在结果生成时应分析质量检查。检查动能、内能、时间沙漏的图表以确定没有峰值或突变，须对以下内容进行评价。

4.1.1初始穿透

在滑移面上的必须没有初始穿透。

4.1.2最小时步

在LS＿DYNA中的时步计算基于单元长度、杨氏模量和密度，确保在计算过程中的时步不小于初始时步。随着碰撞计算过程中单元变形的增加，时间步长不断减小，当结构变形非常大时，临界时间步长将变得非常小，将会导致无法完成计算。但时间步长又不能取得过大，因为过大的时间步长将会导致计算结果的失真，不能正常表现真实的响应，同时影响数值稳定性而造成结果发散，甚至无法求解。

4.1.3质量缩放

控制质量缩放而增加的总质量和质量点，确保不大于总质量的1%。在关键字*CONTROL＿TIMESTEP中的控制参数DT2MS控制质量缩放。设置DT2MS<0，表示质量缩放仅仅施加到步长小于DT2MS的单元上。一般设置DT2MS=-9E-4毫秒。这种方法会轻微地增加模型质量和改变模型的质心位置，但可以节省大量的计算时间，能够有效达到计算精度与计算时间之间的平衡，一般质量增加5 kg～10 kg是可以接受的。

4.1.4能量变化

要求整个碰撞过程动能内能平滑变化，总能量保持不变，沙漏能不超过总能量的5%。通常需要读取以下能量曲线，如图7所示：

(1）动能Kinetic Energy;

(2）内能Internal Energy;

(3）接触能Interface Energy;

(4）总能量Total Energy;

(5）沙漏能Hourglass Energy。

图7能量曲线示意图

4.2结果评价

为保证电动汽车碰撞后的电安全，仿真结果中关注蓄电池模组与电池外包壳接触力、蓄电池模组与蓄电池模组接触力和电池外包壳塑性应变等结果，需满足以下要求。

(1）蓄电池模组与电池外包壳接触力。

碰撞过程中蓄电池模组与电池外包壳接触力应小于10 k N。