燃料电池汽车追尾碰撞模拟分析：方法与结果

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。