CN110598355B - 一种电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法及其门槛 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法及其门槛，属于机械技术领域。它解决了现有的门槛无法同时满足侧柱碰撞性能和轻量化要求的问题。本方法包括以下步骤：a、限定门槛基础截面结构中横向筋条和竖向筋条的位置以及厚度参数，形成基础门槛结构，建立汽车基础碰撞模型；b、设定约束条件为侧柱碰工况，且门槛Y向变形量小于基础门槛结构Y向的宽度尺寸，对侧柱碰工况下基础门槛结构的关键侵入量进行规律分析，c、建立近似模型，根据分析的结果对近似模型的各横向筋条和竖向筋条的厚度尺寸进行优化。本门槛采用上述方法优化形成，不仅降低了门槛的整体重量，同时也提升了门槛结构的侧柱碰耐撞性能。

Description

一种电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法及其门槛
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法及其门槛。
背景技术
随着社会的发展，为适应能源多元化和环保方面的要求，汽车电动化是当前发展的主流方向。在电动车开发中存在一些特点，如由于续航里程要求，电池包重量相对较重，导致整车重量明显增加；同时，因电池安全性问题，对碰撞法规提出更高要求。因为在受外物撞击时，电池有可能发生起火、爆炸、释放有毒有害气体、电弧等情况。在这样的情况下动力电池系统自身的电气相关安全性能防护措施显得尤为必要且重要。电动汽车的先天不足，除了动力电池框架的抗撞性的进一步提升外，更需要强调车身防撞性，对车身材料的要求更高。目前来看，提高电动汽车安全性的方法除了对电池组加强保护之外，短期内很难有实质性的技术出现，因为，即使是在碰撞发生瞬间将电路系统都自动切断，电池组本身也会在外力挤压的情况下发生起火燃烧，甚至爆炸的现象。而车身门槛总成是电动汽车侧面碰撞的首要防撞结构，也是最重要的电动汽车侧面碰撞防护结构。
现有的车身门槛中，由于外轮廓简单、规则，且挤压铝合金工艺可根据性能需求设计出各种各样理想的截面，因此，挤压铝合金门槛在电动汽车上得到了广泛的应用。
现有的电动汽车的门槛结构的截面为包括多个横向筋条和竖向筋条合围形成的多个口字型腔状结构。如中国专利申请(申请号：201520014957.1)公开了一种电动汽车门槛结构，包括呈腔体结构的门槛横梁，所述的门槛横梁的横截面呈台阶状，且门槛横梁的腔体内设置有多道加强隔板，所述的门槛横梁上下端均设置有外鳍板。为了实现轻量化生产，现有的如上述的门槛结构均做的较薄，从而导致现有的门槛结构的强度均较弱，而在车辆侧面碰撞过程中，特别是侧面柱碰中，车身门槛总成的抗撞性能，尤其是撞击位置的抗撞性能，直接决定动力电池包受撞程度，即门槛总成抗撞性与动力电池系统的安全性密切相关，现有的如上述的门槛结构均无法满足动力电池系统在侧面碰撞工况下的安全性能要求。
而为了提高门槛结构侧面碰撞的防撞性能，本领域采用的常规方法主要有以下几种设计思路：1、在门槛结构内设置加强结构，而由于门槛本身的截面结构就较为复杂，从而导致加强结构的设置较为困难，不易制作，成本也较高。2、提升门槛结构的整体料厚，成本较高，也不符合轻量化生产。3、研发质量轻、强度高的新型材料，将整个门槛结构采用新型材料制成，研发和制作成本高。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法及其门槛，本发明所要解决的技术问题是：如何提高门槛的侧柱碰性能的同时保证轻量化。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，本方法包括以下步骤：
a、基础模型的建立：确定门槛基础截面结构，并限定门槛基础截面结构中横向筋条和竖向筋条的位置以及横向筋条和竖向筋条的厚度参数，形成基础门槛结构，然后再建立汽车基础碰撞模型；
b、分析计算：设定约束条件为侧柱碰工况，且门槛Y向变形量小于汽车基础碰撞模型中基础门槛结构Y向的宽度尺寸，通过软件对侧柱碰工况下基础门槛结构的关键侵入量进行规律分析；
c、结构优化：建立基础门槛结构的近似模型，根据分析的结果对近似模型的各横向筋条和竖向筋条的厚度尺寸进行减薄或增厚优化。
本分析优化方法通过确定门槛基础截面结构，并并限定门槛基础截面结构中横向筋条和竖向筋条的位置以及横向筋条和竖向筋条的厚度参数，使其符合侧柱碰工况要求，从而在此基础上建立汽车的基础碰撞模型，并且对侧柱碰工况条件进行约束，通过软件对该工况下基础门槛结构的关键侵入量进行规律分析，并根据分析的结果，对局部起到主要传力支撑作用的筋条在厚度尺寸上保持原状或增厚优化，对于其他筋条进行在厚度尺寸上进行减薄处理，从而使得各筋条的截面厚度处于最佳的分部规律和范围内，不仅降低了门槛的整体重量，同时也提升了门槛结构的侧柱碰耐撞性能。也就是说，本分析优化分法通过对门槛截面各筋条的厚度尺寸采用减薄以及增厚相结合的反常规设计，发挥出了门槛结构的最大结构潜能，达到了性能、重量和成本的协调统一，实现了轻量化的同时提升了耐碰撞性能。
在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤a中，建立汽车基础碰撞模型具体过程为：先建立汽车整车基础模型，切取局部与侧柱碰相关的地板、电池包和门槛结构，保证该局部结构的门槛最大变形点位移以及门槛本身的变形形式与整车一致，形成上述汽车基础碰撞模型。通过基于局部结构的侧柱碰工况，综合考虑车身布置及截面结构位置优化，确定截面基本形式，并通过局部模型和整车模型优化，对基础设计的门槛进行尺寸优化，在实现减重的同时提升了结构耐撞性，而且整个计算时间能够从96核22小时降到2小时，即通过局部等效的汽车基础碰撞模型代替汽车整车基础模型，保证优化效果的同时，能够大量节约计算时间，从而能够为大量的优化试验设计提供可能。
在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤b中，进一步设定约束条件为在侧柱碰工况下电池包边梁内侧不接触电池包模组。通过上述设置，能够更好的分析出在电池包模组不受到损伤前提下的基础门槛结构的关键侵入量规律，从而使得分析的规律更加精确，从而能够更加精确的优化每条横向筋条和竖向筋条的尺寸厚度，发挥出门槛结构的最大结构潜能，达到了性能、重量和成本的协调统一，实现轻量化的同时提升了耐碰撞性能。
在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤b中，通过软件对侧柱碰工况下基础门槛结构的关键侵入量尺寸灵敏度以及侧柱碰关键点侵入量参数的主效应结果进行规律分析总结。分析软件可以采Isight、Hyperstudy、Optimus等优化分析软件，通过对基础门槛结构的关键侵入量尺寸灵敏度以及侧柱碰关键点侵入量参数的主效应结果进行规律分析总结，根据总结结果能够精确优化每条横向筋条和竖向筋条的尺寸厚度，发挥出门槛结构的最大结构潜能，达到了性能、重量和成本的协调统一，实现轻量化的同时提升了耐碰撞性能。
在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤c中，根据分析的结果对近似模型的竖向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。经过分析，在侧柱碰工况下，横向筋条主要起到传力支撑作用，因此，对竖向筋条的厚度尺寸进行减薄优化，保证耐碰撞性能的同时，实现了轻量化。
在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤c中，对近似模型中靠近车身外侧的横向筋条的厚度尺寸进行加厚优化，对近似模型中靠近车身内侧的横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。对近似模型中靠近车身外侧的横向筋条厚度尺寸进行加厚，对近似模型中靠近车身内侧的横向筋条的厚度尺寸进行减薄，使得在压溃过程中，靠近车身外侧的横向筋条可以在前期尽可能多的吸收能量，而靠近车身内侧的横向筋条在后期能够更容易变形压溃，避免内侧横向筋条碰到电池包边梁造成电池模组变形，提升耐碰撞性能的同时保证足够的吸能，同时还兼顾了轻量化的设计。
作为优选，在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤c中，在近似模型靠近车身外侧的横向筋条中，对位于中部的横向筋条的厚度尺寸进行加厚优化；在近似模型靠近车身内侧的横向筋条中，对位于中部的横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。位于中部的横向筋条起到主要的传力和支撑作用，通过上述的设置，能够实现最佳的结构优化，提升耐碰撞性能的同时保证足够的吸能，同时还兼顾了轻量化的设计。
在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤c中，对位于近似模型截面边沿处的其余横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。通过上述设置，在提升耐碰撞性能且保证足够的吸能的同时，进一步降低了整个门槛结构的重量，实现了轻量化。
在上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法中，在所述步骤c中，对于局部开设有安装孔的横向筋条和竖向筋条，在安装孔处进行局部厚度尺寸增厚优化。通过上述设置，消除了因开设安装孔而导致该处的强度降低的问题，进一步保证了门槛结构的耐碰撞性能。
一种门槛，包括门槛本体，所述门槛本体包括若干横向筋条和若干竖向筋条，其特征在于，各横向筋条和各竖向筋条的厚度尺寸通过上述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法优化得出。本门槛结构的各横向筋条和竖向筋条的截面厚度均处于最佳的分部规律和范围内，不仅降低了门槛的整体重量，同时也提升了门槛结构的侧柱碰耐撞性能。
与现有技术相比，本电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法及其门槛结构具有以下优点：通过对门槛结构的各横向筋条和竖向筋条的截面厚度尺寸采用减薄以及增厚相结合的反常规设计，使得各横向筋条和竖向筋条的截面厚度均处于最佳的分部规律和范围内，发挥出了门槛结构的最大结构潜能，达到了性能、重量和成本的协调统一，实现了轻量化的同时提升了耐碰撞性能。
附图说明
图1是实施例中本门槛结构的立体图。
图2是实施例中本门槛结构的截面图。
图中，1、门槛本体；1a、横向筋条一；1b、横向筋条二；1c、横向筋条三；1d、横向筋条四；1e、横向筋条五；1f、横向筋条六；1g、横向筋条七；1h、横向筋条八；1i、横向筋条九；1j、横向筋条十；1k、横向筋条十一；1l、横向筋条十二；1m、竖向筋条一；1n、竖向筋条二；1o、竖向筋条三；1p、竖向筋条四；1q、竖向筋条五；1r、竖向筋条六；1s、竖向筋条七；1t、竖向筋条八；1u、竖向筋条九；1v、竖向筋条十；1w、竖向筋条十一；1x、竖向筋条十二；1y、竖向筋条十三。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1和2所示，本电动汽车门槛包括门槛本体1，门槛本体1包括多个横向筋条和竖向筋条合围形成的多个口字型腔状结构。本实施例中的门槛本体1包括12个横向筋条和13个竖向筋条合围形成的9个口字型腔状结构。
本电动汽车门槛的横向筋条和竖向筋条的厚度尺寸通过以下基于侧柱碰工况的分析优化方法分析优化形成，该方法包括以下步骤：
a、基础模型的建立：确定门槛基础截面结构，并限定门槛基础截面结构中12个横向筋条和13个竖向筋条的位置以及横向筋条和竖向筋条的厚度参数，形成基础门槛结构。本实施例中，12个横向筋条分别为：横向筋条一1a、横向筋条二1b、横向筋条三1c、横向筋条四1d、横向筋条五1e、横向筋条六1f、横向筋条七1g、横向筋条八1h、横向筋条九1i、横向筋条十1j、横向筋条十一1k和横向筋条十二1l；13个竖向筋条分别为：竖向筋条一1m、竖向筋条二1n、竖向筋条三1o、竖向筋条四1p、竖向筋条五1q、竖向筋条六1r、竖向筋条七1s、竖向筋条八1t、竖向筋条九1u、竖向筋条十1v、竖向筋条十一1w、竖向筋条十二1x和竖向筋条十三1y。12个横向筋条和13个竖向筋条的基础厚度参数均设置为3mm。
然后根据建立的基础门槛结构，先建立汽车整车基础模型，再切取局部与侧柱碰相关的地板、电池包和门槛结构，保证该局部结构的门槛最大变形点位移以及门槛本身的变形形式与整车一致，形成汽车基础碰撞模型。通过局部等效的汽车基础碰撞模型代替汽车整车基础模型，整个计算时间能够从96核22小时降到2小时，能够大量节约计算时间，从而能够为大量的优化试验设计提供可能。
b、分析计算：设定约束条件为侧柱碰工况，且电池包边梁内侧不接触电池包模组，门槛Y向变形量小于基础碰撞模型，通过Isight、Hyperstudy或Optimus软件对侧柱碰工况下基础门槛结构的关键侵入量尺寸灵敏度以及侧柱碰关键点侵入量参数的主效应结果进行规律分析总结。
c、结构优化：建立基础门槛结构的近似模型，本实施例中，近似模型与基础门槛结构一致，12个横向筋条和13个竖向筋条的基础厚度参数均设置为3mm，在此基础上，根据分析的结果对近似模型的各横向筋条和竖向筋条的厚度尺寸进行优化，具体为：
经过分析，在侧柱碰工况下，横向筋条主要起到传力支撑作用，因此，对近似模型的竖向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。
在近似模型靠近车身外侧的横向筋条中，对位于中部的横向筋条的厚度尺寸进行加厚优化；在近似模型靠近车身内侧的横向筋条中，对位于中部的横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化，使得在压溃过程中，靠近车身外侧的横向筋条可以在前期尽可能多的吸收能量，而靠近车身内侧的横向筋条在后期能够更容易变形压溃，避免内侧横向筋条碰到电池包边梁造成电池模组变形，提升耐碰撞性能的同时保证足够的吸能，同时还兼顾了轻量化的设计。
对位于近似模型截面边沿处的其余横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。对于局部开设有安装孔的横向筋条和竖向筋条，在安装孔处进行局部厚度尺寸增厚优化。
本实施例中，根据分析的结果规律，具体优化后各横向筋条和竖向筋条的尺寸为：横向筋条五1e、横向筋条八1h、横向筋条九1i、横向筋条十1j、竖向筋条四1p、竖向筋条五1q、竖向筋条六1r、竖向筋条九1u以及竖向筋条十1v的厚度尺寸均减薄为2.0mm。竖向筋条七1s、竖向筋条十一1w、竖向筋条十三1y的厚度尺寸均减薄为2.2mm。横向筋条一1a、横向筋条二1b、竖向筋条一1m、竖向筋条三1o以及竖向筋条八1t的厚度尺寸均减薄为2.3mm。竖向筋条二1n以及横向筋条十一1k的厚度尺寸减薄为2.3mm。横向筋条十二1l和竖向筋条十二1x上由于开设有安装孔，因此，厚度尺寸保持为3.0mm。横向筋条四1d和横向筋条七1g的厚度尺寸保持为3.0mm或增厚为3.2mm。横向筋条三1c和横向筋条六1f的厚度尺寸增厚为3.0mm。
本门槛结构的各横向筋条和竖向筋条的截面厚度均处于最佳的分部规律和范围内，发挥出了门槛结构的最大结构潜能，达到了性能、重量和成本的协调统一，实现了轻量化的同时提升了耐碰撞性能。
如表一所示，针对本实施例优化后的门槛结构进行性能检测，检测结果显示，门槛的质量从18.63kg降至14.97kg，门槛结构的最大变形点处，以及电池包边梁与模组的距离和门槛内侧最大变形量均变好，由52.53变为41.34。
表一、门槛结构优化前后的侧柱碰性能对比
实施例二
本实施例的结构特征与实施例一基本相同，其不同之处在于：在步骤c中，对近似模型中靠近车身外侧的横向筋条的厚度尺寸进行加厚优化，对近似模型中靠近车身内侧的横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，本方法包括以下步骤：
a、基础模型的建立：确定门槛基础截面结构，并限定门槛基础截面结构中横向筋条和竖向筋条的位置以及横向筋条和竖向筋条的厚度参数，形成基础门槛结构，然后再建立汽车基础碰撞模型；
b、分析计算：设定约束条件为侧柱碰工况，且门槛Y向变形量小于汽车基础碰撞模型中基础门槛结构Y向的宽度尺寸，通过软件对侧柱碰工况下基础门槛结构的关键侵入量进行规律分析；
c、结构优化：建立基础门槛结构的近似模型，根据分析的结果对近似模型的各横向筋条和竖向筋条的厚度尺寸进行减薄或增厚优化。
2.根据权利要求1所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，在所述步骤a中，建立汽车基础碰撞模型具体过程为：先建立汽车整车基础模型，切取局部与侧柱碰相关的地板、电池包和门槛结构，保证该局部结构的门槛最大变形点位移以及门槛本身的变形形式与整车一致，形成上述汽车基础碰撞模型。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，在所述步骤b中，进一步设定约束条件为在侧柱碰工况下电池包边梁内侧不接触电池包模组。
4.根据权利要求3所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，在所述步骤b中，通过软件对侧柱碰工况下基础门槛结构的关键侵入量尺寸灵敏度以及侧柱碰关键点侵入量参数的主效应结果进行规律分析总结。
5.根据权利要求1或2所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，在所述步骤c中，根据分析的结果对近似模型的竖向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。
6.根据权利要求5所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，在所述步骤c中，对近似模型中靠近车身外侧的横向筋条的厚度尺寸进行加厚优化，对近似模型中靠近车身内侧的横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。
7.根据权利要求5所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，在所述步骤c中，在近似模型靠近车身外侧的横向筋条中，对位于中部的横向筋条的厚度尺寸进行加厚优化；在近似模型靠近车身内侧的横向筋条中，对位于中部的横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。
8.根据权利要求7所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，对位于近似模型截面边沿处的其余横向筋条的厚度尺寸进行减薄优化。
9.根据权利要求8所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法，其特征在于，在所述步骤c中，对于局部开设有安装孔的横向筋条和竖向筋条，在安装孔处进行局部厚度尺寸增厚优化。
10.一种门槛，包括门槛本体（1），所述门槛本体（1）包括若干横向筋条和若干竖向筋条，其特征在于，各横向筋条和各竖向筋条的厚度尺寸通过权利要求1至9任意一项所述的电动汽车门槛基于侧柱碰工况的分析优化方法优化得出。
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