0 前言
保证车辆安全行驶是车企产品设计开发的重要因素，根据中国新车评价规程标准，正面100%重叠碰撞在实际汽车碰撞中发生概率最大，故研究整车正面碰撞强度是整车设计重要方向，基于整车碰撞仿真进行结构优化设计，可以最大限度上在产品开发阶段识别风险，降低开发成本。
1 碰撞仿真模型建立
1.1 车体及电池包有限元模型的建立
在CATIA软件中建立整车3D模型，以stp形式保存后导入到hypermesh软件中进行仿真前处理，包括模型简化、几何清理和网格划分。车身大部分结构采用宽幅等壁厚钣金件，通常采用壳单元划分方法，其余结构较复杂零部件采用实体网格单元进行划分。本次仿真主要关注整车受正面碰撞时动力电池下壳体变形情况，以壳体内纵梁Y方向最大变形量作为结构强度评价依据，对结构强度进行优化提升，故对动力电池总成下壳体进行局部网格细化处理。考虑整车尾部结构质量对仿真结果影响较小，适当放大整车尾部各零部件网格尺寸进而提高计算求解效率。
对车身前部主要吸能零部件及动力电池下壳体纵梁控制网格尺寸为6mm，其余非重要零部件根据结构不同，网格尺寸控制在10～15mm范围内，保证仿真计算的准确性及可收敛性，其有限元模型如图1所示。有限元建模同样包括连接设置，除动力电池与整车固定螺栓需建立详细模型外，车身其余螺栓连接均采用rigid刚性连接，整车模型如图2所示。
图1 电池包有限元模型
图2 整车有限元模型
1.2 载荷与边界条件
整车碰撞根据碰撞法规要求选择50FRB正碰模型，工况如下。
（1）整车前设置刚性墙体，距离车辆前端100mm，约束刚性墙体6个自由度。
（2）确保整车模型在碰撞过程中可以自由移动。
（3）设置沙漏黏性类型为1，能量系数为0.1。
（4）电池包与整车通过螺栓固定，螺栓选择rbe2刚性连接替代有限元模型，默认螺栓在碰撞过程中不出现失效情况。
1.3 求解设置
（1）定义汽车初始速度为50km/h，方向为X轴正方向，车头正面100%垂直碰撞刚性墙壁。
（2）设置合理的求解时间，本次设置100ms，以确保碰撞过程完全结束，重力加速度方向与Z轴负方向相同。
2 碰撞仿真结果分析
2.1 整车碰撞后电池包变形分析
根据碰撞经验，整车前部撞击位置变形最明显，本次重点关注动力电池变形情况，故单独对电池包变形情况进行分析，重点关注X向前端与电池包内部架构的变形，如图3所示。电池包在整车正面碰撞时受到X向后的碰撞挤压力，其内部纵梁结构起到受力抗变形作用，纵梁变形程度极大程度上反映了电池包碰撞变形情况。同时，纵梁变形还会对内部放置的单体电池及模组产生挤压，单体电池受到挤压发生变形，存在单体电池内部短路导致起火爆炸的风险。
图3 电池包前部碰撞剖视
2.2 电池包内纵梁变形情况分析
针对电池包碰撞后纵梁在X、Y两个方向的最大变形量，可以判断电池包结构失效的风险。根据试验结果与仿真精度综合评估，纵梁Y向最大变形量不超过4mm，X向最大变形量不超过8mm即视为风险较低。随后对壳体内纵梁最大变形量仿真结果进行读取分析。基于仿真结果分析，单体电池与纵梁间装配间隙为0.5mm，纵梁X向最大变形量超过设计评估上限，存在挤压单体电池入侵量过大的可能，仿真结果视为电池包存在失效风险，电池包结构需要加强。
3 电池包结构优化方案确认
3.1 结构分析与改进
针对电池包内纵梁Y向变形明显，分析原因为X向挤压变形过大，结构吸能不足导致向Y向释放压力。由于纵梁Y向空间布置单体电池模组，没有空间进行结构加强，故需加强纵梁X向的抗挤压强度，增加X向吸能件来减小整个电池包的变形。纵梁内部新增加强件在不改变电池包内单体电池布置方案的前提下，加强整包结构强度，极大地减小了零部件结构变更产生的设计成本。在纵梁内部新增加强部件，用来吸收整车碰撞时传递给电池包X向的能量，减小整体结构X向的挤压变形。加强件长度应超过纵梁Y向最大变形区域，保证纵梁在该区域的抗变形、抗弯扭强度，提高结构能量吸收能力。
3.2 仿真验证
根据优化后的结构重新进行整车碰撞仿真，得到优化后纵梁变形量结果，在其他因素完全一致的条件下，对电池包纵梁内部增加加强件对于提高整包结构强度具有明显作用，X向变形量由4.97mm减小到2.29mm，Y向变形量由4.91mm减小到2.26mm，优化后结构满足设计要求。
4 结语
本文基于整车碰撞仿真对电池包结构的安全性能进行设计验证，对于仿真结果进行评估分析，并提出结构优化设计方案进行可行性仿真验证，极大地缩短了产品设计开发周期，更直观地判断碰撞性能与具体结构强度的关联，有效保证电池包结构的防撞能力，对于提升整车的安全可靠性能具有重要意义。
参考文献
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