电动汽车的车身柱碰结构设计浅析

摘要：国家和人民对电动汽车安全越来越重视，根据C-NCAP管理规则柱碰已被纳入电动汽车的安全性能考查项，因此，有必要对电动汽车车身柱碰结构进行针对性设计。基于电动汽车柱碰安全性能，建立车身柱碰结构仿真分析模型，研究增加门槛型腔结构强度和新增碰撞力传递路径，来满足侧面柱碰撞的要求。对比不同变量方案的分析数据，方案实施后B柱关键位置测点碰撞侵入量明显降低，车身柱碰结构安全性能得到大幅优化提升，表明方向研究的正确性，对于以后的研发设计具有重要的指导作用。

关键词：电动汽车；侧面柱碰；汽车车身；结构设计

近二十年来燃油汽车迎来大发展，中国汽车年销量逼近2600万辆，但汽车行业的大发展带来了严重的环境污染。为了保护环境，许多国家把禁售燃油车提上了日程，节能环保的新能源汽车得到大家一致的认可，全球尤其是中国大力发展新能源电动汽车。随着汽车的发展进步，国家和人民对汽车安全越来越重视，不断提出更高的安全等级，保护乘员在碰撞事故中的生命财产安全。碰撞安全方面，侧面碰撞事故发生率最高，致伤率居第一位[1]，根据《C-NCAP管理规则（2021年版）》，对于新能源车，柱碰（Poleimpact）已被纳为一个考查项，总分为16分，占比较大，因此，很有必要对电动汽车车身柱碰结构进行针对性设计。

1建立车身柱碰结构模型

1.1结构研究背景

汽车侧面柱碰是指汽车与柱状物（路边的树木、电线杆、交通指示牌等）发生侧面碰撞[2]。柱碰从2021年开始纳入中国新车评价规程（China-NewCarAssessmentProgram,C-NCAP）强制项，是评价高品质电动汽车的关键指标之一。同时电动汽车相对传动燃油汽车，在车身地板下方布置了电池包，发生侧面柱碰撞时不仅要保护乘员安全，也要保护电池包的安全，避免碰撞后电池包泄漏、起火等危险情况发生。仿真技术是汽车工业中很重要的一环，可在项目前期考虑结构性能，完成分析优化，达到分析指导设计的目的，能极大地降低汽车研发周期和成本[3]。通过模拟分析在方案设计阶段，找出车身柱碰结构不足之处，寻求优化解决方案，验证分析方案的有效性，从而降低实车碰撞的安全风险。

1.2结构模型简介

按照C-NCAP试验要求，整车以32km/h行驶速度与直径254mm的刚性柱发生碰撞；平行于车辆碰撞速度矢量的垂直面与车辆纵向中心线之间形成75°碰撞角；刚性柱表面中心线应对准车辆碰撞侧外表面与通过假人头部重心垂直平面的交叉线（碰撞基准线）；建立如图1所示的柱碰仿真分析模型。图1柱碰仿真分析模型

1.3关键性能输出项

柱碰撞发生后，装机部位受力产生严重变形，给汽车里侧的乘员安全带来巨大威胁，需要对其损伤进行考量，作为对车身结构性能的评价指标。根据柱碰试验及相关研究表明，B柱位置正好对应假人身躯，因此，将B柱作为关键性能输出项[4]，由此可在B柱上选取影响较大点的侵入量作为输出性能项，如图2所示假人身躯重点部位头部、肩部、胸部、腹部和盆骨分别对应在车身结构B柱上的位置，输出相关性能汇总如表1所示。

2车身柱碰结构优化思路

有研究表明，侧面柱碰试验与侧面碰撞试验相比，侧面柱碰撞造成了对乘员更严重的损伤风险，对车身耐撞性提出了更高要求，门槛梁和地板横梁刚度是影响车辆侧面柱碰结构耐撞性主要因素[5]。故可以将车身柱碰结构优化的重心放在门槛型腔结构和地板横梁结构上，针对新的侧面柱碰要求，设计其专属车身柱碰结构。一是在门槛腔体里面增加加强零件，参考铝合金前防撞梁优秀的碰撞特性，设计门槛型材加强梁填充在型腔内，大幅增强门槛梁型腔结构强度及抵抗碰撞变形的能力。二是在地板上对应柱碰位置设计超高强钢的地板柱碰横梁，不仅提高地板整体结构性能，而且新增一条碰撞力传递路径，快速引导碰撞侧的力传递到非碰撞侧，从而减少车内碰撞的侵入，增大安全空间。由此本文电动汽车车身梁柱碰结构研究方向是在传统车身结构上增加门槛型材加强梁和地板柱碰横梁，车身柱碰主要梁系结构如图3所示。

3车身柱碰结构优化分析

3.1车身结构优化方案

根据结构研究优化方向，提出四个结构设计方案模型，如表2所示。为验证结构研究方向准确性，优化方案变量设定采用单一变化方式，每个方案间互相形成对比，车身柱碰结构方案在传统车身结构上验证分别增加门槛型材加强梁和增加地板柱碰横梁，以及两者都增加的时候侧面柱碰性能提升效果。

3.2基于优化方案柱碰模拟分析

为了清晰地确定各车身结构优化方案在基础结构BAS上的效果，不同的车身柱碰结构在侧面柱碰模仿真拟分析时，各自输出对应柱碰撞过程中相关B柱位置测点的侵入量数值，统计分析结果如表3所示。对比结果数据可以看出，在BAS上增加门槛型材加强梁的CAS1和增加地板柱碰横梁CAS2均十分有效，对应B柱关键测点位置的碰撞侵入量明显大幅降低，对比优化前最大减少了74.65mm；方案CAS3门槛型材加强梁和地板柱碰横均增加，对比BAS方案B柱测点侵入量最大减少了89.81mm，降幅达到66%。由此可得，增加门槛型材加强梁能提升了门槛型腔结构强度，增加地板柱碰横梁新增了侧面柱碰撞力传递路径，车身侧面柱碰结构优化效果极佳，实现了车身柱碰结构优化提升的目的，满足侧面柱碰的性能要求。

4试验验证

某型电动汽车车身柱碰结构设计采用CAS3方案，增加了门槛型材加强梁和地板柱碰横梁。实车生产制造出来后，按照对应侧面柱碰国标要求进行实车的碰撞试验，测试前排假人头部、胸部、腹部和骨盆的损伤情况，根据标准评价B柱位置的每个关键测点位置的得分，均十分优秀，很好地保护了乘员的安全。

5结论

本文针对电动汽车特有的柱碰安全性能要求，研究车身结构优化设计。可以从模拟分析和实车验证中确定，地板上增加了柱碰横梁，新增了碰撞力传递路劲，大幅降低了B柱侵入量；同时门槛增加铝合金型材加强梁，利用铝型材高效吸能特性，也极大提升了车身门槛抵抗变形的能力，减小对B柱的侵入，从而保护乘员和电池包安全，对于后期车身柱碰结构设计具有重要的指导作用。在以后的侧面柱碰撞车身结构研发设计中，建议如下：（1）门槛型腔结构。门槛具有吸能抵抗变形的作用，设计时型腔内填充高效吸能的铝合金型材，增强腔体结构性能。（2）地板横梁结构。横梁具有吸收传递碰撞力作用，设计柱碰正对位置的横梁，快速地将碰撞力传递到非碰撞侧。

作者:王勇 王翼 唐东升 单位:威马汽车科技集团有限公司