http://www.newenergy.com.cn  2006-4-3 9:55:00  中国燃料电池网

王宏雁　范益丞　(同济大学)

【摘要】　普通汽车对追尾碰撞一般没有非常高的安全性要求。但是,由于燃料电池汽车后部装有安全性要求相当高的氢气瓶和控制系统,因此,燃料电池车追尾碰撞时的安全性研究就显得非常重要。文章通过对国内自主开发的某燃料电池汽车进行了追尾碰撞虚拟试验分析,为燃料电池汽车车身的开发提供参考依据。

【主题词】　安全性　燃料电池　汽车　模拟试验

1　引言

燃料电池汽车开发时,除了要考虑常规汽车的安全性外,还需考虑燃料电池汽车本身特有的安全性要求。尤其在行李箱内装有氢气瓶和控制系统的情况下,对燃料电池汽车追尾碰撞安全性的研究显得极其重要。如何预防并保证燃料电池汽车在发生追尾碰撞时,不会导致其氢气的泄漏、控制系统的失效,以及电路起火,这些都是在燃料电池汽车开发过程中必须考虑的安全性问题。

2　追尾碰撞整车模型的建立

2.1　几何建模

本文研究的燃料电池车的车身是在原型车承载式结构的基础上改型的,由于蓄电池组、燃料电池、氢气瓶等零部件体积较大、质量较重,如果直接安放在承载式车身上,可能会造成车身负荷过大,而且在发生碰撞事故时会影响乘员的生存空间。所以,在总布置设计时引入了一个车架,用它来支撑燃料电池部件,并且提升了原型车中的地板,从而弥补了一部分由于引入车架而减小的离地间隙。燃料电池模块主要部件有电机及其控制元件、蓄电池组、燃料电池、氢气瓶和燃料电池控制系统。它们的安装都是围绕车架而设计构思的。

2.2　有限元模型的建立

2.2.1　网格划分

本文采用Hypermesh软件划分有限元网格,并在Pam-Crash软件中进行定义和计算。由于轿车的白车身主要由钣金件冲压而成,因此采用了四边形和三角形壳单元对白车身CAD模型进行网格划分。壳单元在几何外形和物理特性上都能同钣金件取得很好的近似。对于动力总成和底盘系统中的实体件,考虑到实体单元与壳单元在接触计算和计算步长中存在的问题,而且许多实体件在计算过程中将被定义成刚体,故采用了壳单元。由于质量差的单元不仅会大大浪费计算时间,而且影响计算精度,因此,在网格划分完之前,必须对模型进行单元质量检查,通常单元质量检查分为重合节点与重合单元检查、自由边和自由面检查、单元形状检查等方面。

2.2.2　连接定义

整车车身结构是近百个构件通过焊接、螺栓连接、铆接和粘合剂胶结而成。对于焊接一般有两种模拟方法,一种认为汽车在碰撞过程中焊点不会断裂,因此在模型中采取刚体连接;另一种认为汽车在碰撞过程中会有焊点断裂,因此在模型中采用焊点失效,即焊点单元应力超过一定值后焊点单元断裂。目前,对于其余连接方式,在不影响整体计算的情况下,一般也采用焊点单元定义连接。

2.2.3　材料定义

材料参数对于碰撞模拟的精度具有极其重要的意义。根据材料的拉伸曲线定义各材料的弹性模量、泊松比、切向模量、破坏极限、应变率等参数,材料厚度按各零件的实际厚度定义,材料密度按各零件实测的重量来调整定义,以保证整车有限元模型的重心与实车重心的一致。

2.2.4　接触定义

接触定义主要分为点面接触、面面接触、体面接触、体体接触和自接触,在此采用的接触定义是自接触。轿车在发生追尾碰撞时,车身中前部变形较小,尤其B柱以前零部件的变形更微小,因而为了提高计算速度,将B柱之前的车身部分定义为刚体,在定义车身自接触时,将自接触范围缩小到B柱之后的车身部分。

2.2.5　初始速度

根据ECE32的要求,追尾碰撞速度为35～38km/h。现今在进行追尾碰撞实车试验时,多数采用实车以一定速度后退撞刚墙的形式进行。因此,在碰撞模拟计算前,固定刚墙并将车的初始速度设为向后9.8m/s(35.28km/h)。

具体规定见表1。



4　计算结果对比分析

4.1　碰撞模拟过程比分析

从整车追尾碰撞虚拟试验结果可以看出,20ms时,车身尾部开始变形;40ms时,尾部发生剧烈变形,行李箱盖和后翼子板发生强烈扭曲和弯转变形;60ms时,碰撞接触完成,车辆开始反弹。燃料电池车发生追尾碰撞后的变形要较原型车大,其中的主要原因是,燃料电池车在去除具有高刚度的后行李箱地板及备胎槽后,后行李箱成了下部开放式结构,刚度有所减弱。虽然燃料电池车加入了车架,以增加后部刚度,但由于车架与后部车身只有2点连接,未能使后舱形成封闭式承载结构,而且车架在碰撞过程中吸能较少,使得大部分碰撞能量都由行李箱盖、后纵梁和后翼子板承受。

后车架具有很高的刚度,几乎未发生变形,致使安装在其上的气瓶和燃料电池控制系统受到了很大的惯性冲击,燃料电池控制系统产生了较大的变形;氢气瓶虽然因自身的高刚度而未发生变形,但由于支撑气瓶的支架相对较软,气瓶在碰撞过程中相对车架产生了明显的相对位移,最大位移甚至达到了43mm(图4)。气瓶较大的相对位移容易导致输气管的断裂和氢气的泄漏,这是相当危险的。

4.2　B柱减速度

在进行碰撞模拟的认证过程中,从车身的耐撞性来分析乘员的伤害程度时,常用的指标是B柱减速度时间历程曲线,并在无乘员约束系统的车身耐撞性模拟中,把它作为乘员头部所承受的减速度来间接评价碰撞对乘员的伤害程度。

 

由图5可见,原型车在发生碰撞后约25ms时,B柱有最大减速度7mm/ms2;而燃料电池车由于车身尾部吸能较多,起到了一定的缓冲延时作用,从而B柱减速度曲线变化较为平稳,其最大峰值也来得较晚,为35ms时的3mm/ms2。

 

4.3　后排座椅R点在地板上投影相对于不变形区域的位移量

后排座椅R点在地板上投影相对于不变形区域的位移量,不仅反映了后排座椅的位移程度,而且影响着后排乘员在追尾碰撞时的安全性。与原型车相比,燃料电池车由于尾部刚度相对较小,碰撞时能量吸收较少,产生变形较大,因而有相对较大的碰撞力传递到车厢地板,导致后排座椅R点在地板上投影相对于不变形区域的位移量略大,为12mm,原型车为8mm,两者均远小于法规规定的75mm(图6)。



4.4　后围板变形量

同样,由于燃料电池车车身尾部刚度较小,产生的变形位移较大,轮罩等与后围直接相关零件的较大变形量致使后围板的变形量也随之增大。由图7可见,燃料电池车的后围板变形量为25mm,而原型车的该项指标仅为8mm。从后围板变形量而言,燃料电池车在去掉行李箱地板后的安全性要较原型车差些,但25mm的后围板变形量仍在许可范围之内。



4.5　行李箱变形的最大位移



　　从图8中可以看出,与原型车相比燃料电池车的行李箱变形的最大位移更大。由于在原型车的基础上去掉了较高刚度的后行李箱地板及备胎槽,且引入的车架与行李箱框架并未形成箱式封闭结构,因此其车身尾部刚度比原车型低,在发生追尾碰撞时行李箱变形的最大位移比原车型要略大。

4.6　碰撞总能量对比

由于燃料电池车加入了车架和燃料电池系统,整车质量较原车型大幅增加,相同的碰撞速度下初始动能也比原车型大许多。所以,对比图9和图10可以看出,燃料电池车的碰撞总能量比原车型的大了1.8万Nm。

5　结束语

为了进一步提高燃料电池车在追尾碰撞时的安全性,提出如下建议:

(1)建议燃料电池车车架中部与后部之间采用吸能式设计,以在追尾碰撞时吸收部分碰撞能量。

(2)在后车架设计时,建议采用车架与车身后部的整体式设计,以提高车身后部刚度,减小由后碰产生的变形。

(3)建议在燃料电池控制系统中加入自切断功能,防止撞车时电流过大而导致电器起火。

 

　　(4)建议提高气瓶支架刚度,改进其连接方式,以有效防止碰撞时因气瓶的移动而产生的危险。