王宏雁　范益丞　(同濟大學)

【摘要】　普通汽車對追尾碰撞一般沒有非常高的安全性要求。但是,由于燃料電池汽車后部裝有安全性要求相當高的氫氣瓶和控制系統,因此,燃料電池車追尾碰撞時的安全性研究就顯得非常重要。文章通過對國內自主開發的某燃料電池汽車進行了追尾碰撞虛擬試驗分析,為燃料電池汽車車身的開發提供參考依據。

【主題詞】　安全性　燃料電池　汽車　模擬試驗

1　引言

燃料電池汽車開發時,除了要考慮常規汽車的安全性外,還需考慮燃料電池汽車本身特有的安全性要求。尤其在行李箱內裝有氫氣瓶和控制系統的情況下,對燃料電池汽車追尾碰撞安全性的研究顯得極其重要。如何預防并保證燃料電池汽車在發生追尾碰撞時,不會導致其氫氣的泄漏、控制系統的失效,以及電路起火,這些都是在燃料電池汽車開發過程中必須考慮的安全性問題。

2　追尾碰撞整車模型的建立

2.1　幾何建模

本文研究的燃料電池車的車身是在原型車承載式結構的基礎上改型的,由于蓄電池組、燃料電池、氫氣瓶等零部件體積較大、質量較重,如果直接安放在承載式車身上,可能會造成車身負荷過大,而且在發生碰撞事故時會影響乘員的生存空間。所以,在總布置設計時引入了一個車架,用它來支撐燃料電池部件,并且提升了原型車中的地板,從而彌補了一部分由于引入車架而減小的離地間隙。燃料電池模塊主要部件有電機及其控制元件、蓄電池組、燃料電池、氫氣瓶和燃料電池控制系統。它們的安裝都是圍繞車架而設計構思的。

2.2　有限元模型的建立

2.2.1　網格劃分

本文采用Hypermesh軟件劃分有限元網格,并在Pam-Crash軟件中進行定義和計算。由于轎車的白車身主要由鈑金件沖壓而成,因此采用了四邊形和三角形殼單元對白車身CAD模型進行網格劃分。殼單元在幾何外形和物理特性上都能同鈑金件取得很好的近似。對于動力總成和底盤系統中的實體件,考慮到實體單元與殼單元在接觸計算和計算步長中存在的問題,而且許多實體件在計算過程中將被定義成剛體,故采用了殼單元。由于質量差的單元不僅會大大浪費計算時間,而且影響計算精度,因此,在網格劃分完之前,必須對模型進行單元質量檢查,通常單元質量檢查分為重合節點與重合單元檢查、自由邊和自由面檢查、單元形狀檢查等方面。

2.2.2　連接定義

整車車身結構是近百個構件通過焊接、 螺栓連接、鉚接和粘合劑膠結而成。對于焊接一般有兩種模擬方法,一種認為汽車在碰撞過程中焊點不會斷裂,因此在模型中采取剛體連接;另一種認為汽車在碰撞過程中會有焊點斷裂,因此在模型中采用焊點失效,即焊點單元應力超過一定值后焊點單元斷裂。目前,對于其余連接方式,在不影響整體計算的情況下,一般也采用焊點單元定義連接。

2.2.3　材料定義

材料參數對于碰撞模擬的精度具有極其重要的意義。根據材料的拉伸曲線定義各材料的彈性模量、泊松比、切向模量、破壞極限、應變率等參數,材料厚度按各零件的實際厚度定義,材料密度按各零件實測的重量來調整定義,以保證整車有限元模型的重心與實車重心的一致。